Οικονομοτεχνική μελέτη σχεδιασμού και εγκατάστασης βιομηχανικής μονάδας υδρογόνου από φυσικό αέριο

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΔΥΤΙΚΗΣ ΜΑΚΕΔΟΝΙΑΣ(ΚΟΖΑΝΗ)

ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ

ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ

ΜΕ ΘΕΜΑ:

ΟΙΚΟΝΟΜΟΤΕΧΝΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ ΚΑΙ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ

ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΜΟΝΑΔΑΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ ΑΠΟ ΦΥΣΙΚΟ ΑΕΡΙΟ

Από τους σπουδαστές :

ΣΙΑΛΒΕΡΑ ΓΙΩΡΓΟ και ΤΣΑΝΤΙΛΗ ΜΙΧΑΛΗ

Επιβλέπων Καθηγητής :ΒΑΣΙΛΕΙΑΔΗΣ ΓΙΩΡΓΟΣ

ΚΟΖΑΝΗ 2009

Πτυχιακή Εργασια Οικονομοτεχνική μελέτη μονάδας παραγωγής υδρογόνου

Σιαλβέρας Γ.-Τσαντίλης Μ. 1

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Περίληψη…………………………………………………………………....…. σελ.4 Εισαγωγή …………………………………………………………………........σελ.5 ΜΕΡΟΣ Α :ΓΕΝΙΚΑ ΠΕΡΙ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ ΚΑΙ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ 1.Ενέργεια υδρογόνου............................................................................... σελ.6 1.1 Γενικά για το υδρογόνο .....................................................................σελ.6 1.2 Το υδρογόνο ως ενεργειακό καύσιμο................................................σελ.7 1.3 Φυσικές ιδιότητες του υδρογόνου …………………….…………….....σελ.8 1.4 Γενικές μέθοδοι παρασκευής του υδρογόνου και κυριότερες χρήσεις του σήμερα ……………………………………………….…....σελ.9 1.5 Πλεονεκτήματα του υδρογόνου έναντι των συμβατικών πηγών ενέργειας………………………………………………………………. .σελ.11 1.6 Μειονεκτήματα του υδρογόνου έναντι των συμβατικών πηγών ενέργειας ........................................................................................σελ.13 2. Ιδιότητες φυσικού αερίου …………………………………………………σελ.15 2.1. Ιδιότητες πρώτων υλών................................................................σελ.15 2.2 Ιδιότητες ενδιάμεσων προϊόντων...................................................σελ.18 ΜΕΡΟΣ Β :ΤΕΧΝΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ 3. Περιγραφή διαγράμματος ροής............................................................σελ.20 4. Μονάδα αναμόρφωσης φυσικού αερίου με ατμό................................ σελ.24 4.1 Αντιδραστήρας αναμόρφωσης φυσικού αερίου με ατμό………….. σελ.24 4.1.1 Γενικά……………………………………………………………… .σελ.24 4.1.2 Κύριες Αντιδράσεις…………………………………………........ .σελ.24 4.1.3 Σχεδιασμός και βελτιστοποίηση του αντιδραστήρα………....... σελ.25 4.1.4 Υπολογισμός προσδιδόμενης ενέργειας……………………..... σελ.29 4.1.5 Κοστολόγηση του αντιδραστήρα...............................................σελ.29 4.2 Καυστήρας……………………………………………………..... .........σελ30 4.2.1 Γενικά……………………………………………………............... σελ.30 4.2.2 Υπολογισμός του κόστους του καυστήρα………………........... σελ.32 4.3 Μονάδα παραγωγής ατμού……………………………….. ...............σελ.33 4.3.1 Γενικά........................................................................................σελ.33 4.3.2 Σχεδιασμός της μονάδας παραγωγής ατμού………...........….. σελ.34 4.3.3 Υπολογισμός κόστους μονάδας παραγωγής ατμού……......… σελ.35 4.4 Απιονισμός νερού…………………………………............................ σελ.36 4.4.1 Γενικά………………………………………………………............ σελ.36 4.4.2 Διεργασίες Απιονισμού στην Παρούσα Μονάδα………............ σελ.36 4.4.3 Εκτίμηση Κόστους Μονάδας Απιονισμού………………........... σελ.38 5. Αντιδραστήρες μετατροπής CO σε CO2..............................................σελ.39 5.1 Γενικά………………………………………………………….........…. σελ.39 5.2 Σχεδιασμός και βελτιστοποίηση των αντιδραστήρων.....................σελ.39 5.3 Υπολογισμός Κόστους καταλυτών……………………………......... σελ.45



6. Στήλη απορρόφησης............................................................................σελ.46 6.1 Γενικά………………………………………………………………....... σελ.46 6.2 Σχεδιασμός στήλης απορρόφησης..................................................σελ.46 6.3 Επιλογή κατάλληλου λόγου επαναρροής........................................σελ.54 6.4 Κοστολόγηση στήλης απορρόφησης……………………………...... σελ.55 7. Στήλη εκρόφησης.................................................................................σελ.55 7.1 Γενικά…………………………………………………................... ......σελ.55 7.2 Σχεδιασμός στήλης εκρόφησης ………………………………….......σελ.57 7.3 Κοστολόγηση στήλης εκρόφησης……………………………........... σελ.60 8. Διαχωριστής……………………………………………………………..… σελ.62 8.1 Γενικά………………………………………………………………....... σελ.62 8.2 Σχεδιασμός Διαχωριστή…………………………………………........ σελ.62 8.3 Κοστολόγηση των διαχωριστών υγρής - αέριας φάσης………....... σελ.66 9. Εξατμιστήρας……………………………............................................... σελ.68 9.1 Γενικά.............................................................................................σελ.68 9.2 Σχεδιασμός εξατμιστήρα…………………………………..………… σελ.68 9.3 Κοστολόγηση εξατμιστήρα…………………………………….......... σελ.70 10. Εναλλάκτες θερμότητας……………………………............................. σελ.71 10.1 Γενικά……………………………………………....................…….. σελ.71 10.2 Χαρακτηριστικά εναλλακτών θερμότητας της μονάδας........…… σελ.71 10.3 Σχεδιασμός των εναλλακτών θερμότητας……………….............. σελ.73 10.4 Κοστολόγηση εναλλακτών θερμότητας........................................σελ.77 11. Μονάδα συμπύκνωσης…………………………….............................. σελ.79 11.1 Γενικά...........................................................................................σελ.79 11.2 Σχεδιασμός συμπυκνωτή…………………………..................….. .σελ.80 11.3 Κοστολόγηση εναλλακτών – συμπυκνωτή ………..............……..σελ.82 12. Καμινάδα……………………………................................................... .σελ.84 12.1 Γενικά…………………………….............…………………………. .σελ.84 12.2 Σχεδιασμός της καμινάδας………………….................………….. σελ.85 12.3 Κοστολόγηση της καμινάδας........................................................σελ.88 13. Πύργος ψύξης…………………………...........................................…. σελ.89 13.1 Γενικά ..........................................................................................σελ.89 13.2 Σχεδιασμός πύργου ψύξης...........................................................σελ.89 13.3 Κοστολόγηση πύργου ψύξης και ανεμιστήρα………......………. .σελ.92 13.4 Λειτουργικές δαπάνες πύργου ψύξης και ανεμιστήρα..................σελ.93 14. Μεταφορά αερίων…………………………………....................……… σελ.95 14.1 Γενικά………………………………………………………………… σελ.95 14.2 Σχεδιασμός φυσητήρων...............................................................σελ.95 14.3 Κοστολόγηση φυσητήρων............................................................σελ.97 15. Μεταφορά υγρών……………………….............................................. σελ.98 15.1 Γενικά……………………………………………………………….. ..σελ.98 15.2 Σχεδιασμός των φυγοκεντρικών αντλιών……………………….... σελ.98 15.3 Κοστολόγηση αντλητικού συστήματος…………………….......... σελ.100 16. Αποθήκευση………………….......................................................… σελ.102 16.1 Εισαγωγή………………………………………………….....…….. σελ.102 16.2 Δεξαμενές Αποθήκευσης…………………………………......….. σελ.102 16.3 Αποθήκευση Υδρογόνου……………………………………....…. σελ.105 16.3.1 Γενικά………………………………………………………....... σελ.105 16.3.2 Μέθοδοι Αποθήκευσης Υδρογόνου…………………............ σελ.105 16.3.3 Αποθήκευση Υδρογόνου στην Παρούσα Μονάδα ...............σελ.108



16.4 Υπολογισμός Κόστους Μονάδας Αποθήκευσης…………..... σελ.111 ΜΕΡΟΣ Γ : ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ 17. Οικονομική μελέτη της μονάδας………………………………. ..........σελ.113 17.1 Οικονομικά μεγέθη εγκατάστασης………………………………. σελ.113 17.1.1 Κόστος μηχανολογικού εξοπλισμού …………………..........σελ.113 17.1.2 Συνολική δαπάνη επένδυσης……………………………...... σελ.114 17.1.3 Ετήσιες λειτουργικές δαπάνες………………………… ........σελ.115 17.2 Aνάλυση οικονομικών δεδομένων της επένδυσης…………. ....σελ.120 17.2.1 Υπολογισμός ετήσιων εσόδων…………………………....... σελ.120 17.2.2 Οικονομικά κριτήρια………………………………................ σελ.122 17.3 Αξιολόγηση της επένδυσης.......................................................σελ.125 ΜΕΡΟΣ Δ : ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΚΑΙ ΝΟΜΟΘΕΣΙΑ 18. Συστήματα ρύθμισης........................................................................σελ.128 18.1 Γενικά……………………………………………………………. .....σελ.128 18.2 Ρύθμιση της μονάδας παραγωγής υδρογόνου...........................σελ.130 18.2.1 Αντιδραστήρας SRR............................................................σελ.130 18.2.2 Διαχωριστής υγρής - αέριας φάσης…………………….. .....σελ.130 18.2.3 Συσκευές εναλλαγής θερμότητας........................................σελ.130 18.2.4 Στήλη απορρόφησης – εκρόφησης.....................................σελ.130 18.2.5 Καμινάδα……………………………………………….. .........σελ.131 18.2.6 Αντλίες………………………………………………............... σελ.131

18.3 Συμβολισμός οργάνων…………………………………. .............σελ.131 19. Επιλογή θέσης και χωροταξική διευθέτηση της μονάδας………..... σελ.133 19.1 Επιλογή θέσης……………………………………………..............σελ.133 19.2 Χωροταξική διευθέτηση της μονάδας…………………….. .........σελ.134 20. Άνθρωπος και Περιβάλλον………………………………………….... σελ.139 20.1 Επίδραση των πρώτων υλών και των τελικών προϊόντων στον άνθρωπο και στο περιβάλλον…………………………………..................σελ.139 20.2 Υγιεινή και Ασφάλεια………………………………………......…..σελ.143 ΜΕΡΟΣ Ε : ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 21.Συμπερασματα-Σχολια..................................................................... σελ.147 Βιβλιογραφια..........................................................................................σελ.148



ΠΕΡΙΛΗΨΗ

Η παρούσα πτυχιακή εργασία έχει σαν σκοπό το σχεδιασμό και την

οικονομική μελέτη μιας μονάδας παραγωγής υδρογόνου με δυναμικότητα

120000 tn/έτος.Η εν λόγω βιομηχανική μονάδα προβλέπεται να χρησιμοποιεί

ως πρώτες ύλες φυσικό αέριο και νερό. Η παραγωγή του υδρογόνου γίνεται

με τη γνωστή μέθοδο αναμόρφωσης φυσικού αερίου με ατμό που διακρίνεται

για την απλότητα, την ευκολία στη χρήση της και την υψηλή απόδοση της στο

επιθυμητό προϊόν. Λόγω της όλο και αυξανόμενης επιβάρυνσης της

ατμόσφαιρας από καυσαέρια κυρίως, η παρακάτω μελέτη αποσκοπεί στην

αντικατάσταση των έως τώρα γνωστών καυσίμων κίνησης από το υδρογόνο,

κατά την καύση του οποίου δεν παράγονται ρύποι. Το βασικό συμπέρασμα

που προκύπτει από τη μελέτη των οικονομικών κριτηρίων είναι ότι μια τέτοια

μονάδα πληρεί τις οικονομικές προϋποθέσεις που την καθιστούν βιώσιμη,

αποδοτική και ανταγωνιστική τόσο στην εγχώρια όσο και στη διεθνή αγορά.



ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Σκοπός της παρούσας πτυχιακής εργασίας είναι ο σχεδιασμός και η μελέτη

μιας μονάδας παραγωγής υδρογόνου από ατμοαναμόρφωση φυσικού αερίου.

Με βάση τα αποτελέσματα που προκύπτουν από την οικονομική αξιολόγηση

της μονάδας εξάγονται συμπεράσματα για τη βιωσιμότητα και την

αποδοτικότητα της.

Η πτυχιακή εργασία αποτελείτε από πέντε μέρη τα οποια ειναι:

ΜΕΡΟΣ Α :ΓΕΝΙΚΑ ΠΕΡΙ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ ΚΑΙ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ

ΜΕΡΟΣ Β :ΤΕΧΝΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ

ΜΕΡΟΣ Γ : ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ

ΜΕΡΟΣ Δ : ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΚΑΙ ΝΟΜΟΘΕΣΙΑ

ΜΕΡΟΣ Ε : ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

Αναλυτικότερα η μελέτη, περιλαμβάνει τα εξής:

Αρχικά παρατίθενται οι ιδιότητες των πρώτων υλών και του προϊόντος.

Στη συνέχεια γίνεται συνοπτική περιγραφή του διαγράμματος ροής.

Ακολουθεί η παρουσίαση της μεθοδολογίας σχεδιασμού, κοστολόγησης

και βελτιστοποίησης του μηχανολογικού εξοπλισμού χωρίς να γίνονται

περαιτέρω υπολογισμοί.

Πραγματοποιείται οικονομική αξιολόγηση της επένδυσης με χρήση

οικονομικών κριτηρίων, αφού πρώτα έγιναν κάποιες παραδοχές όσον

αφορά την μονάδα παραγωγής, της πρώτες ύλες και τον μηχανολογικό

εξοπλισμό χρησιμοποιώντας μέσες τιμές από βιβλιογραφικές πηγές.

Έπειτα περιγράφονται τα ρυθμιστικά συστήματα που χρησιμοποιούνται

στη διεργασία.

Επιλέγεται η θέση της μονάδας και γίνεται χωροταξική διευθέτηση της.

Δίνονται πληροφορίες για τις επιπτώσεις που μπορεί να έχει η μονάδα

τόσο στο περιβάλλον όσο και στον άνθρωπο.

Αναφέρονται και σχολιάζονται οι παραδοχές που έγιναν καθώς και τα

συμπεράσματα που προέκυψαν.(Συμπερασματα-Σχολια-Επιλογος)

Παρατίθεται ο κατάλογος της βιβλιογραφίας που χρησιμοποιήθηκε.



ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1ο : ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ 1.1)Γενικά για το υδρογόνο Το υδρογόνο αποτελεί το 90% της συνολικής μάζας του σύμπαντος και είναι το ελαφρύτερο στοιχείο που υπάρχει στη φύση. Σε καθαρή μορφή (αέρια) στο περιβάλλον της γης σπάνια συναντάται, αλλά δεσμευμένο, υπάρχει σχεδόν σε όλα τα ορυκτά της. Το υδρογόνο απαντιέται και σε πολλές σημαντικές δομικές οργανικές ενώσεις των έμβιων όντων της γης, μεταξύ αυτών των οργανικών ενώσεων στην κερατίνη, στα ένζυμα που συντελούν στη πέψη και στα μόρια του DNA. Επίσης, υπάρχει άφθονο και στις διάφορες τροφές που καταναλώνει ο άνθρωπος, υπό τη μορφή των λιπών, των πρωτεϊνών και των υδρογονανθράκων. Λόγω του μικρού του βάρους, δεν αποτελεί περισσότερο από το 1% της συνολικής μάζας της γης. Καθώς το υδρογόνο συντήκεται, παράγονται διάφορα βαρύτερα στοιχεία από αυτό, με σημαντικότερο μεταξύ αυτών το Ήλιο (He). Η συγκεκριμένη διαδικασία της σύντηξης του υδρογόνου παράγει την ενέργεια που εκλύουν τα άστρα μέσα στο σύμπαν, ενώ βάσει αυτής πιστεύεται ότι δημιουργήθηκε αρχικά και το ίδιο το σύμπαν. Σε συνήθη θερμοκρασία περιβάλλοντος, το υδρογόνο βρίσκεται πάντα σε αέρια φάση, στην οποία σαν υλικό είναι άχρωμο, άοσμο, και εύφλεκτο. Όταν καίγεται με το οξυγόνο του ατμοσφαιρικού αέρα (ή και με το «καθαρό» οξυγόνο), το υδρογόνο σχηματίζει νερό και παράγει θερμότητα σύμφωνα με την παρακάτω αντίδραση: 2H2 + O2 > 2H2O + heat (1.1) Η ονομασία του, οφείλεται στον Γάλλο χημικό Antoine Lavoisier και προέρχεται από τη σύμπτυξη δύο αρχαιοελληνικών λέξεων: «ύδωρ» και «γίγνομαι». Ως ξεχωριστό χημικό στοιχείο αναγνωρίστηκε για πρώτη φορά από τον Άγγλο χημικό Henry Cavedish το 1766. Το υδρογόνο κατέχει την πρώτη θέση στον περιοδικό πίνακα των χημικών στοιχείων και το άτομό του συμβολίζεται με το λατινικό γράμμα [Η]. Κάθε άτομό του αποτελείται από ένα πρωτόνιο και από ένα ηλεκτρόνιο, ενώ κατά την ένωση δύο διαφορετικών ατόμων του παράγεται ένα μόριο υδρογόνου με μοριακό τύπο: H2 (H – H). Το υδρογόνο μπορεί να συνδυαστεί χημικά με σχεδόν οποιοδήποτε άλλο χημικό στοιχείο και έτσι δίνει τις περισσότερες χημικές ενώσεις από οποιοδήποτε άλλο του περιοδικού πίνακα. Στις σημαντικότερες από τις ενώσεις του συγκαταλέγονται το νερό, οι ενώσεις του με τον άνθρακα (οργανικές ενώσεις) και οι διάφοροι φυσικοί υδρογονάνθρακες όπως το πετρέλαιο και το φυσικό αέριο.



1.2)Το υδρογόνο ως ενεργειακό καύσιμο Το υδρογόνο χρησιμοποιείται σαν βιομηχανικό καύσιμο εδώ και αρκετές δεκαετίες. Τεράστιες ποσότητες υδρογόνου καταναλώνονται κάθε χρόνο παγκοσμίως γι’ αυτόν τον σκοπό και μάλιστα με τάση που αυξάνει από χρονιά σε χρονιά (ενδεικτικά, το 2003 καταναλώθηκαν παγκοσμίως περίπου 41,09 εκατομμύρια τόνοι υδρογόνου, ενώ το 2004 η ποσότητα αυτή ανήλθε στα 50 εκατομμύρια τόνους) . Από την άλλη μεριά, η χρήση του υδρογόνου σαν ενεργειακό καύσιμο είναι προς το παρόν περιορισμένη. Από την συνολική ποσότητα του υδρογόνου που παράγεται κάθε χρονιά σε παγκόσμια κλίμακα, η βιομηχανία της αμμωνίας καταναλώνει περίπου το 50% αυτής, ενώ τα διυλιστήρια του πετρελαίου το 37%. Το υπόλοιπο 13%, καταναλώνεται σε διάφορους άλλους βιομηχανικούς τομείς, μεταξύ των οποίων το μεγαλύτερο ποσοστό σε κατανάλωση κατέχει η βιομηχανία των τροφίμων (π.χ. χρησιμοποίηση υδρογόνου για υδρογόνωση των ελαίων). Σήμερα, υπάρχουν αρκετές μέθοδοι με τις οποίες μπορεί να παραχθεί οικονομικά και σε μαζικές ποσότητες (εμπορικές μέθοδοι παραγωγής του υδρογόνου). Οι κυριότερες από αυτές είναι οι εξής : • η αναμόρφωση των υδρογονανθράκων με ατμό, μεταξύ αυτών κυρίως του φυσικού αερίου. • η μερική οξείδωση (ή αεριοποίηση) των βαρέων υδρογονανθράκων ή του γαιάνθρακα. • η ηλεκτρόλυση του νερού. Οι κυριότερες διατάξεις με τις οποίες παράγεται ενέργεια από το υδρογόνο είναι οι κυψέλες καυσίμου. Το υδρογόνο όμως, μπορεί να παράγει ενέργεια και μέσω της καύσης του με τον ατμοσφαιρικό αέρα μέσα σε ΜΕΚ, όπως σε καταλυτικούς καυστήρες, σε λέβητες αερίου, σε αεροστρόβιλους και σε κινητήρες εσωτερικής καύσης. Η καύση του υδρογόνου με τον ατμοσφαιρικό αέρα παράγει σαν κύριο συστατικό το νερό, αλλά λόγω των υψηλών θερμοκρασιών που επικρατούν κατά την διαδικασία αυτή, στη πράξη παράγονται επίσης και ορισμένες ποσότητες από οξείδια του αζώτου. Το υδρογόνο που παράγεται μέσω της χρησιμοποίησης της τεχνολογίας των διαφόρων ΑΠΕ (ιδιαίτερα της ηλιακής και της αιολικής ενέργειας) θεωρείται ως ιδανικό, γιατί προκαλεί πολύ λιγότερες επιπτώσεις στο περιβάλλον σε σχέση με τις υπόλοιπες μεθόδους παραγωγής του. Η μόνη έκλυση ρύπων που εμφανίζεται στην περίπτωση αυτή, προκύπτει κατά τις διαδικασίες κατασκευής, μεταφοράς και εγκατάστασης των διαφόρων ΑΠΕ που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή του και δευτερευόντως κατά τη διαδικασία μεταφοράς του προς την κατανάλωση. Γενικά, το υδρογόνο σαν καύσιμο δεν συμβάλλει σχεδόν καθόλου στην επιβάρυνση του παγκόσμιου κλίματος και οι ρύποι που παράγονται κατά την ενεργειακή του εκμετάλλευση είναι μηδαμινοί σε σχέση με αυτούς που παράγονται κατά την καύση των ορυκτών καυσίμων. Εικάζεται, ότι στις επόμενες δεκαετίες θα αρχίσει να καταλαμβάνει ολοένα και σημαντικότερο μερίδιο στην παγκόσμια ενεργειακής αγορά και ότι στο απώτερο μέλλον θα αντικαταστήσει ένα μεγάλο μέρος της υπάρχουσας υποδομής σε παραγωγή, διανομή και κατανάλωση ενέργειας που βασίζεται σήμερα κατά πλείστον στα ορυκτά καύσιμα.



Βραχυπρόθεσμα, η ενεργειακή χρήση του υδρογόνου προβλέπεται ότι θα αυξηθεί στη βιομηχανία και στον οικιακό τομέα, προκειμένου να διευκολυνθεί εκεί η παραγωγή και η αποθήκευση της ενέργειας, ενώ στη συνέχεια οι εφαρμογές του προβλέπεται ότι θα επεκταθούν και στον τομέα των μεταφορών (αυτοκίνητα, λεωφορεία κ.τ.λ.). Η μετάβαση όμως, από το υπάρχον σύστημα παραγωγής και διανομής της ενέργειας που επί σειράς δεκαετιών βασίζεται κατά κύριο λόγο στα ορυκτά καύσιμα, σε ένα νέο το οποίο θα έχει σαν κύριο μέσο του το υδρογόνο, απαιτεί χρόνο και γενναία και δαπανηρά βήματα από κυβερνήσεις και παραγωγούς της ενέργειας σε όλη την υφήλιο. 1.3)Φυσικές ιδιότητες του υδρογόνου Όπως συμβαίνει με τα μόρια των περισσοτέρων αερίων, το μόριο του αέριου υδρογόνου είναι όπως έχουμε πει διατομικό. Υπό ίδιες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας, το υδρογόνο σαν αέριο είναι πολύ ελαφρύτερο από τον ατμοσφαιρικό αέρα. Συγκεκριμένα, σε κανονικές συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας (Κ.Σ.), δηλαδή πίεση 1 atm (101.325 kPa) και θερμοκρασία 0 C (273.15 K), το υδρογόνο έχει πυκνότητα 0.0899 kgm.³, δηλαδή περίπου δέκα φορές μικρότερη από αυτήν του αέρα. Για τον λόγο αυτό και σε συνδυασμό με την πολύ μικρή μάζα του μορίου του, το υδρογόνο διαφεύγει πολύ εύκολα από το βαρυτικό πεδίο της γης και έτσι βρίσκεται σε πολύ μικρές συγκεντρώσεις στην ατμόσφαιρα αυτής. Με εξαίρεση το αέριο He, το αέριο υδρογόνο έχει το χαμηλότερο σημείο βρασμού (20 βαθμοί K σε P = 1atm) και το χαμηλότερο σημείο πήξεως (14 βαθμοί K στην ίδια P) από όλα τα υπόλοιπα αέρια. Όταν η θερμοκρασία του αέριου υδρογόνου κατεβεί κάτω από τους 20,268 βαθμούς Κ σε Κ.Σ. πίεσης (δηλαδή σε P = 1atm), αυτό αρχίζει να υγροποιείται, περνώντας σταδιακά από την αέρια στην υγρή του φάση. Η πρώτη ποσότητα υγρού υδρογόνου που παρασκευάστηκε ποτέ από τον άνθρωπο, οφείλεται στον Άγγλο χημικό Sir James Dewar, ο οποίος την παρήγαγε το 1898. Το υγρό υδρογόνο σε μικρές ποσότητες είναι άχρωμο, αλλά όταν μελετάται σε λεπτά δείγματα παίρνει ένα ανοιχτό μπλε. Με συνεχή μείωση της θερμοκρασίας του σε Κ.Σ. πίεσης (P= 1atm), το υγρό υδρογόνο τελικά στερεοποιείται στους 14,025 βαθμούς Κ. Το στερεό υδρογόνο σαν υλικό, είναι κι αυτό άχρωμο όπως και το υγρό υδρογόνο. Στη φύση, το υδρογόνο συναντιέται με τρία διαφορετικά ισότοπα ατόμου του μορίου του. Το ισότοπο που αποτελεί το 99,98% της συνολικής του ποσότητας σ’ αυτήν, ονομάζεται πρώτιο (1H) και αποτελείται από ένα πρωτόνιο και από έναηλεκτρόνιο. Σε ποσοστό 0,02% συναντούμε επίσης στη φύση ένα δεύτερο ισότοπο του υδρογόνου, το δευτέριο (2H ή 2D), το οποίο αποτελείται από ένα πρωτόνιο, ένα νετρόνιο και ένα ηλεκτρόνιο. Το δευτέριο χρησιμοποιείται σήμερα στις περισσότερες από τις εργαστηριακές εφαρμογές του υδρογόνου. Το τρίτο, κατά φθίνουσα σειρά ποσότητας, αέριο ισότοπο του υδρογόνου στη φύση, είναι το λεγόμενο τρίτιο (3H ή 3Τ), το οποίο αποτελείται από ένα πρωτόνιο, δύο νετρόνια και ένα ηλεκτρόνιο. Το τρίτιο βρίσκεται σε αναλογία στη φύση με τα υπόλοιπα άτομα του υδρογόνου σε έναν συντελεστή της τάξης των 1/10000 άτομα υδρογόνου και είναι ραδιενεργό, με χρόνο ημίσειας ζωής που προσεγγίζει τα 12,4 χρόνια περίπου.



Μέχρι σήμερα, εκτός των τριών παραπάνω ισοτόπων που αναφέρθηκαν προηγουμένως, έχει γίνει δυνατό να παραχθούν σε εργαστηριακή κλίμακα μερικά άλλα ισότοπα του υδρογόνου, τα οποία περιλαμβάνουν μέχρι και 6 νετρόνια στον πυρήνα του ατόμου τους . Κατά τη κβαντομηχανική προσέγγιση του μορίου του υδρογόνου (του 1H του), τα πρωτόνια των δύο ατόμων του, περιβάλλονται από ένα ηλεκτρονικό νέφος 2 ηλεκτρονίων. Η πυκνότητα πιθανότητας του ηλεκτρονικού αυτού νέφους είναι αυξημένη στον χώρο μεταξύ των πρωτονίων των ατόμων του, έτσι ώστε το κάθε ένα από τα άτομα του μορίου του να «θωρακίζεται» από το ομόσημο φορτίο του απέναντι ατόμου του. Η συγκεκριμένη κατάσταση των ατόμων του μορίου του υδρογόνου περιγράφεται ικανοποιητικά μέσω μιας άρτιας κυματοσυνάρτησης (δηλαδή μέσω μιας συμμετρική συνάρτησης), η αποδίδει την χωρική κατανομή των ηλεκτρονίων των ατόμων του μέσα στο μόριό του. Η συνολική όμως κατανομή των ηλεκτρονίων του μορίου του (δηλαδή το γινόμενο της χωρικής κατανομής τους και της κατανομής τους λόγω των σπιν τους), αναγκαστικά περιγράφεται από μία αντισυμμετρική κυματοσυνάρτηση κατανομής, σύμφωνα και με την αρχή του Pauli. Έτσι, η κυματοσυνάρτηση κατανομής η οποία περιγράφει την κατανομή των σπινς των ηλεκτρονίων μέσα στο μόριο του υδρογόνου, θα πρέπει αναγκαστικά κι αυτή να είναι αντισυμμετρική, δηλαδή τα σπινς των ηλεκτρονίων μέσα στο μόριο του υδρογόνου είναι μεταξύ τους αντιπαράλληλα. 1.4)Γενικές μέθοδοι παρασκευής του υδρογόνου και κυριότερες χρήσεις του σήμερα Το γεγονός, ότι το υδρογόνο σε ελεύθερη μορφή, απαντιέται μέσα στην ατμόσφαιρα της γης μόνο σε ελάχιστες ποσότητες, γεγονός που οφείλεται όπως έχουμε αναφέρει στην πολύ μικρή πυκνότητα της αέριας του κατάστασης, θέτει το πρόβλημα της παρασκευής του με διάφορες μεθόδους με τεχνητό τρόπο. Οι μέθοδοι με τις οποίες αυτό μπορεί να παρασκευαστεί είναι πολλές και οι περισσότερες από αυτές περιέχουν τη διαδικασία της υδρόλυσης στην εξέλιξή τους. Κατά τη συγκεκριμένη διαδικασία, το υδρογόνο παρασκευάζεται μέσω της διάσπασης των μορίων του νερού σε υδρογόνο και οξυγόνο σύμφωνα με την παρακάτω αντίδραση: 2 H2O + ενέργεια > 2 H2 + O2 (1.2) Μερικές από τις γνωστότερες διαδικασίες τεχνικές μεθόδους παρασκευής του υδρογόνου σήμερα, είναι και οι παρακάτω: • Από το φυσικό αέριο ή το φωταέριο, με κλασματική διαπίδυση. • Με την επίδραση του νερού «εν ψυχρώ» σε νάτριο: Η2O + Na > NaOH + 1/2H2 (1.3) • Με την επίδραση υπέρθερμων υδρατμών σε διάπυρο σίδηρο: 4Η2O + 3 Fe > Fe3O4 + 4H2 (1.4) • Με την επίδραση υπέρθερμων υδρατμών σε διάπυρο άνθρακα: 2Η2O+C>CO2+2H2 (1.5)



• Με την επίδραση νερού σε υδρίδιο του ασβεστίου: 2Η2O + CaH2 > Ca(OH) 2 + 2H2 (1.6) • Με την ηλεκτρόλυση του νερού: Η2O > H2 + 1/2O2 (1.7) • Από τα οξέα, με αντικατάσταση του Η από άτομα κάποιου μετάλλου: H2SO4 + Zn > ZnSO4 + H2 (1.8) • Από τις βάσεις με την επίδραση άλλων επαμφοτεριζόντων στοιχείων: 3ΚΟΗ + Αl > K3AlO3 + 3/2H2 (1.9) • Με πυρόλυση του μεθανίου: CH4 > C + 2H2 (1.10) • Με επίδραση του νερού στο μεθάνιο παρουσία νικελίου ως καταλύτη: CH4 + H2O ―Ni> CO + 3H2 (1.11) • Mε υδρόλυση του νερού στους 5000.C: 2H2O + ενέργεια > 2H2 + O2 (1.12) Θα πρέπει να τονιστεί, ότι από τις παραπάνω μεθόδους παρασκευής του υδρογόνου, μόνο ορισμένες από αυτές μπορούν να χαρακτηριστούν σαν «εμπορικά» αξιοποιήσιμες μεθόδους παρασκευής του. Κι αυτό γιατί, όπως εξάλλου ισχύει και για τα περισσότερα υλικά, προκειμένου να χρησιμοποιηθεί μια οποιαδήποτε μέθοδος παρασκευής στο εμπόριο, θα πρέπει αυτή να χαρακτηρίζεται από προσβάσιμες απαιτήσεις στις αναγκαίες ποσότητες του βασικού υλικού της, στο κόστος πραγματοποίησής της και στην απαιτούμενη ενέργεια που χρειάζεται για την εφαρμογής της. Για το λόγο αυτό, από τις παραπάνω μεθόδους παρασκευής του υδρογόνου, μόνο κάποιες από αυτές μπορούν να χαρακτηριστούν ως «εμπορικά» αξιοποιήσιμες και να χρησιμοποιηθούν μαζικά για την παραγωγή αυτού. Ενδεικτικά, οι διάφορες «εμπορικές» μέθοδοι παρασκευής του υδρογόνου, χωρίζονται σε 3 βασικές κατηγορίες: τις θερμοχημικές, τις ηλεκτρολυτικές και τις φωτολυτικές. Στην συνέχεια θα αναφέρουμε κάποιες από τις σημαντικότερες χρήσεις του υδρογόνου στις μέρες μας : • Το υδρογόνο χρησιμοποιείται σε μεγάλες ποσότητες από τη χημική βιομηχανία για την παρασκευή αμμωνίας, μεθανίου και μεθανόλης και σε μικρότερες για την παρασκευή των διαφόρων βενζινών και του μυρμηγκικού οξέως. Οι προηγούμενες ουσίες, χρησιμοποιούνται στη συνέχεια για την παρασκευή διαφόρων άλλων παραγώγων ουσιών, όπως για παράδειγμα λιπασμάτων, εκρηκτικών, αντιψυκτικών κ.τ.λ.. • Το υδρογόνο χρησιμοποιείται ευρύτατα στην τεχνολογία των τροφίμων για την παρασκευή διαφόρων υδρογονανθράκων. • Η επιστήμη της φυσικής αξιοποιεί το υδρογόνο για τη μελέτη των στοιχειωδών σωματιδίων. • Με τη μορφή υγρού, το υδρογόνο εφαρμόζεται στη μελέτη της υπεραγωγιμότητας των υλικών.



1.5)Πλεονεκτήματα του υδρογόνου έναντι των συμβατικών πηγών ενέργειας Στη συνέχεια θα αναφέρουμε συνοπτικά τα πλεονεκτήματα που παρουσιάζει το υδρογόνο σαν μέσο παραγωγής ενέργειας, έναντι των συμβατικών ορυκτών καυσίμων που χρησιμοποιούνται σήμερα για το σκοπό αυτό: • Σε σχέση με οποιοδήποτε συμβατικό καύσιμο, το υδρογόνο παρουσιάζει όπως έχουμε πει την μεγαλύτερη ικανότητα παραγωγής ενέργειας ανά μονάδα βάρους του, η οποία ισούται περίπου με 120.7 kJ/kg. Η ενέργεια αυτή, είναι τρεις φορές μεγαλύτερη περίπου από την ενέργεια 1 kg συμβατικής βενζίνης. • Κατά την καύση του (ή κατά την ηλεκτρόλυσή του μέσα σε κυψέλες καυσίμου), το υδρογόνο παράγει ελάχιστους ρύπους, οι οποίοι είναι πολύ λιγότεροι από αυτούς που παράγονται κατά την καύση των ορυκτών καυσίμων. Όσο περισσότερο «καθαρή» είναι η ποσότητα του υδρογόνου που καίγεται με το οξυγόνο, τόσο λιγότεροι ρύποι εκλύονται κατά την καύση αυτή. Παρουσία «καθαρού» οξυγόνου, η καύση του «καθαρού» υδρογόνου παράγει μόνο νερό και θερμότητα, ενώ όταν το συμμετέχον οξυγόνο αντιδρά σαν «ατμοσφαιρικό» παράγονται και ορισμένα οξείδια του αζώτου (λόγω της παρουσίας του αζώτου στον ατμοσφαιρικό αέρα). Οι ποσότητες όμως αυτές είναι πολύ μικρές για να επηρεάσουν σημαντικά την ατμόσφαιρα της γης, ακόμα και για μαζικής κλίμακας κατανάλωση του υδρογόνου. • Όπως αναφέραμε πριν, η καύση (ή η ηλεκτρόλυση) του υδρογόνου με τον ατμοσφαιρικό αέρα παράγει σαν κύριο προϊόν της το νερό. Οι ποσότητες όμως αυτού, όπως και οι αντίστοιχες ποσότητες των οξειδίων του αζώτου, είναι πολύ μικρές, ακόμα και για μαζική κατανάλωση του υδρογόνου, ώστε να επηρεάσουν σημαντικά το γήινο περιβάλλον. Εξάλλου, η πλεονάζουσα ποσότητα του νερού που παράγεται κατά την ένωση του υδρογόνου με το οξυγόνο μέσα σε ενεργειακές διατάξεις, μπορεί να χρησιμοποιηθεί στη συνέχεια για περαιτέρω σκοπούς (π.χ. άρδευση γης, υδροδότηση πόλεων από σταθερές διατάξεις παραγωγής ενέργειας υδρογόνου). Εκτός από αυτό, όπως έχουμε ήδη αναφέρει, μια δυνατή μέθοδος παραγωγής του υδρογόνου είναι και η παραγωγή του μέσω της ηλεκτρόλυσης του νερού, οπότε οι παραπάνω ποσότητες νερού που παράγονται από τη χρήση του μπορούν να ξαναχρησιμοποιηθούν για την εκ νέου παραγωγή του, βάζοντας έτσι το παραγόμενο από αυτό νερό σε έναν ημιανανεώσιμο κύκλο ζωής. Η διαδικασία αυτή αναμένεται να εφαρμοστεί στη πράξη στα επόμενα χρόνια, με την αντίστοιχη ανάπτυξη των εναλλακτικών τεχνολογιών παραγωγής του μέσω ηλεκτρόλυσης (π.χ. χρήση ηλιακής ή αιολικής ενέργειας). • Το υδρογόνο είναι το ίδιο ακίνδυνο, από πλευράς αυθόρμητης ανάφλεξης, σε σχέση με τα υπόλοιπα συμβατικά ορυκτά καύσιμα που χρησιμοποιούνται σήμερα (π.χ. βενζίνη, πετρέλαιο, φυσικό αέριο κ.τ.λ.). Μάλιστα, κατά την απουσία ατμοσφαιρικού αέρα και υπό συνήθεις συνθήκες περιβάλλοντος (Τ = 20 .C και P = 1atm), το υδρογόνο είναι λιγότερο εύφλεκτο από αυτά τα καύσιμα, έχοντας για θερμοκρασία αυθόρμητης ανάφλεξής του τους 585 C (αντίστοιχη θερμοκρασία αυθόρμητης ανάφλεξης της βενζίνης, απουσία ατμοσφαιρικού αέρα: 230 .C . 480 .C).



• Μπορεί να συμβάλει σταδιακά στη μείωση του ρυθμού κατανάλωσης των ορυκτών καυσίμων, επιφέροντας έτσι σημαντικές ωφέλειες στον περιβαλλοντικό, ενεργειακό αλλά και οικονομικό τομέα, μέσω της δημιουργίας νέων θέσεων εργασίας για τον τελευταίο. Αν και σε πολλές περιπτώσεις τα διάφορα ορυκτά καύσιμα χρησιμοποιούνται και τα ίδια σαν πρώτες ύλες για την παρασκευή του υδρογόνου, το ενεργειακό και περιβαλλοντικό όφελος που προκύπτει από τη χρησιμοποίηση του υδρογόνου ως φορέα ενέργειας είναι μεγαλύτερο από το αντίστοιχο των ορυκτών καυσίμων. Όπως έχουμε αναφέρει, η πιο αποδοτική και συμφέρουσα οικονομικά μέθοδος παρασκευής του υδρογόνου αυτή τη στιγμή, βασίζεται στην αναμόρφωση του φυσικού αερίου. Το φυσικό αέριο είναι ένα ορυκτό, το οποίο είναι αρκετά φθηνό, πολύ αποδοτικό και υπάρχει ακόμα σε μεγάλες διαθέσιμες ποσότητες στη φύση. Βεβαίως η χρησιμοποίησή του δεν σημαίνει ότι δεν θα πρέπει να γίνει αξιοποίηση των διαφόρων ΑΠΕ για την παραγωγή του υδρογόνου, οι οποίες μάλιστα μελλοντικά θα πρέπει και να το αντικαταστήσουν σ’ αυτήν τη λειτουργία. Η χρησιμοποίησή του πάντως, αποτελεί ένα καλό προσωρινό μέτρο για την παραγωγή υδρογόνου με περιβαλλοντικά φιλικούς τρόπους, μέχρις ότου η μαζική χρησιμοποίηση των διαφόρων ΑΠΕ γι’ αυτόν τον σκοπό γίνει πραγματικότητα. • Τέλος, το υδρογόνο μπορεί να παρασκευαστεί με πολυάριθμες μεθόδους και σε οποιοδήποτε μέρος της γης και επομένως μπορεί να βοηθήσει πολλά κράτη που είναι «φτωχά» σε διαθέσιμα κοιτάσματα ορυκτών καυσίμων να αναπτύξουν τα δικά τους αυτάρκη και ολοκληρωμένα ενεργειακά συστήματα. Μέσου αυτού τα συγκεκριμένα κράτη, που ως γνωστόν είναι τα πολυπληθέστερα πάνω στον πλανήτη, θα μπορέσουν να αναπτύξουν τις δικές τους αυτόνομες ενεργειακές οικονομίες, ξεφεύγοντας από τον φαύλο κύκλο της ενεργειακής τους εξάρτησης από άλλα κράτη – προμηθευτές τους σε ορυκτά καύσιμα. Να αναφερθεί επίσης, ότι στα πλαίσια της ενεργειακής ανεξαρτησίας που προσφέρει το υδρογόνο ως καύσιμο ανήκει και η υψηλή αυτονομία και αυτοδιαχείριση που προσφέρει όταν καταναλώνεται στα πλαίσια ενός ενεργειακού συστήματος, η οποία συντελεί στο να προφυλάσσεται ικανοποιητικά το σύστημα αυτό όταν στο δίκτυό του συμβούν διάφορες καταστροφές λόγω δυσμενών γεγονότων (π.χ. πυρκαγιές, πλημμύρες, σεισμοί κ.τ.λ.), αφού η διακοπή της λειτουργίας μερικών τμημάτων του δεν έχει οπωσδήποτε σαν αποτέλεσμα την καθολική του κατάρρευση, μιας και τα διάφορα τμήματα που το αποτελούν είναι, λίγο ή περισσότερο ανεξάρτητα το ένα με το άλλο.



1.6)Μειονεκτήματα του υδρογόνου έναντι των συμβατικών πηγών ενέργειας Όσων αφορά τώρα τα μειονεκτήματα του υδρογόνου έναντι των υπολοίπων συμβατικών πηγών ενέργειας, τα περισσότερα από αυτά έχουν να κάνουν με την σχετικά πρόσφατη στροφή της έρευνας προς την αξιοποίηση του υδρογόνου ως καύσιμο, με αποτέλεσμα να μην έχουν ακόμα εξελιχθεί οι κατάλληλες τεχνικές, ώστε να είναι ικανό να αξιοποιηθεί σε μαζική κλίμακα στη πράξη. Συνοπτικά, τα μειονεκτήματα αυτά έχουν ως εξής : • Το μεγαλύτερο πρόβλημα που αντιμετωπίζει σήμερα το υδρογόνο σαν καύσιμο, αλλά και γενικότερα σαν βιομηχανικό προϊόν, είναι αυτό της αποτελεσματικής και ασφαλούς αποθήκευσής του. δεδομένου ότι το υδρογόνο είναι ένα στοιχείο που σε αέρια κατάσταση είναι πολύ ελαφρύ, η συμπίεση μεγάλης ποσότητάς του σε πολύ μικρού μεγέθους δεξαμενές είναι ακόμα αρκετά δύσκολη, εξαιτίας των υψηλών πιέσεων που χρειάζονται γι’ αυτό (ή αντίστοιχα εξαιτίας των πολύ χαμηλών θερμοκρασιών που χρειάζονται για την αποθήκευσή του σαν υγρό). Εκτός από αυτό, οι ακραίες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας που απαιτούνται για την αέρια ή την υγρή του αποθήκευση, συνεπάγονται και την κατανάλωση μεγάλων ποσοτήτων ενέργειας για την επίτευξή τους, με αποτέλεσμα η αέρια ή η υγρή αποθήκευση του υδρογόνου να είναι αρκετά δαπανηρή σαν μέθοδος αποθήκευσής του. Για τον λόγο αυτό και η έρευνα που γίνεται σήμερα πάνω στην αποθήκευση του υδρογόνου έχει στραφεί προς νέες τεχνικές μεθόδους, οι οποίες αφενός έχουν σαν πεδίο αναφοράς τους την αποθήκευσή του σε νανοδομημένα υλικά (αύξηση της ποσότητας αποθήκευσής του) και στην δέσμευσή του από στερεά υλικά τα οποία το αποθηκεύουν στη μάζα τους με τη μορφή «στερεού» (προσροφημένο ή απορροφημένο μεταξύ των στερεών τους μορίων). Η«στερεή» αποθήκευση του υδρογόνου στα συγκεκριμένα υλικά, έχει σαν αποτέλεσμα να μειώνονται δραματικά οι ακραίες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας που απαιτούνται κατά την αποθήκευσή του σαν υγρό ή σαν αέριο. • Ένα άλλο σημαντικό πρόβλημα που αντιμετωπίζει το υδρογόνο σαν καύσιμο παραγωγής ενέργειας είναι και το γεγονός, ότι το παγκόσμιο δίκτυο διανομής του προς το παρόν δεν υφίσταται, με αποτέλεσμα να μην μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε μαζική κλίμακα και από όλες τις χώρες του κόσμου. Επιπλέον, λόγω της ανυπαρξίας του δικτύου διανομής του, το κόστος ανεφοδιασμού του υδρογόνου σε παγκόσμια κλίμακα παραμένει ακόμα υψηλό, μιας και οι διάφορες τεχνολογίες παραγωγής του μέσω ΑΠΕ δεν έχουν εξελιχθεί ακόμα σε ικανοποιητικό βαθμό. Το γεγονός όμως αυτό αναμένεται να αλλάξει στο μέλλον, όσο η κατανάλωσή του σαν καύσιμο θα αρχίσει να αυξάνεται και όσο η παραγωγή του από ΑΠΕ θα γίνεται όλο και περισσότερο φθηνότερη. • Ένα τελευταίο πρόβλημα που αντιμετωπίζει σήμερα το υδρογόνο σαν καύσιμο μαζικής παραγωγής ενέργειας, είναι και το αυξημένο κόστος των διαφόρων ενεργειακών διατάξεων που χρησιμοποιούνται για την αξιοποίησή του σαν καύσιμο (των κυψελών καυσίμου και των ΜΕΚ υδρογόνου). Η τεχνολογία των διατάξεων αυτών, προς το παρόν, δε μπορεί ακόμα να θεωρηθεί ολοκληρωτικά αξιόπιστη, μιας και κατά την εφαρμογή τους



παρουσιάζονται ορισμένα τεχνικά και οικονομικής φύσης προβλήματα που δεν καθιστούν ικανή τη μαζική χρησιμοποίησή τους. Για παράδειγμα, διάφορες κυψέλες καυσίμου υδρογόνου (π.χ. κυψέλες καυσίμου για οικιακή ή μεταφορική χρήση), εμφανίζουν ακόμα αρκετά προβλήματα μη ανοχής σε «μή καθαρά» υδρογονούχα καύσιμα, δηλαδή σε υδρογονούχα καύσιμα που δεν περιέχουν το υδρογόνο σε μεγάλες περιεκτικότητες (ως γνωστόν οι κυψέλες αυτές μπορούν να λειτουργήσουν και με «μη καθαρό» υδρογόνο π.χ. μεθανόλη, αιθανόλη κ.τ.λ.). Αυτό με τη σειρά του αυξάνει το κόστος χρήσης τους, λόγω της ανάγκης παραγωγής «καθαρού» υδρογόνου για μέγιστη αποδοτική λειτουργία τους, με αποτέλεσμα οι συγκεκριμένες κυψέλες καυσίμου να μην είναι ακόμα αρκετά ανταγωνιστικές σε σχέση με τις αντίστοιχες συμβατικές διατάξεις ορυκτών καυσίμων που χρησιμοποιούνται σήμερα για την παραγωγή ενέργειας και να μην χρησιμοποιούνται ακόμα ευρέως. Επιπλέον, ένα ακόμα «αδύνατο» σημείο των κυψελών αυτών είναι, ότι τα υλικά που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή διαφόρων μηχανικών μερών είναι σχετικά ακριβά με αποτέλεσμα το κόστος χρήσης τους να αυξάνει ακόμα περισσότερο. Από την άλλη μεριά, τόσο στον τομέα της «καθαρότητας» των καυσίμων τους, όσο και στον τομέα των υλικών κατασκευής, οι ολοένα και περισσότερες ανακαλύψεις που γίνονται σήμερα από τους επιστήμονες που ασχολούνται με το συγκεκριμένο πεδίο δείχνουν, ότι στο μέλλον οι «απόγονες» ενεργειακές διατάξεις τους θα έχουν αντιμετωπίσει τα περισσότερα από τα προβλήματα αντιμετωπίζουν σήμερα.



ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2ο :ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ

2.1. Ιδιότητες πρώτων υλών

Η μέθοδος παραγωγής υδρογόνου που μελετάται είναι η ατμοαναμόρφωση

του φυσικού αερίου. Στον παρακάτω πίνακα παρατίθενται οι ιδιότητες των

συστατικών του φυσικού αερίου[41].

Πίνακας 2.1: Ιδιότητες πρώτων υλών

Χημικός

Τύπος

Μοριακό

βάρος

Πυκνότητα g/m3

00@760mm Hg

Ξηρό

Σχετική

Πυκνότητα

Αέρας = 1

Ανώτερη Θερμογόνος

Δύναμη σε kcal/m3

00@760mm Hg,

Ξηρό – ιδανικό αέριο

Θεωρητική

απαίτηση σε

ξηρό αέρα

καύσης m3/m3

Μεθάνιο CH4 16,043 715,8 0,5537 9.497,20 9,52

Αιθάνιο C2H4 30,070 1.342 1,0378 16.513,4 16,66

Προπάνιο C3H8 44,097 1.968 1,5219 23.671,9 23,80

Βουτάνιο C4H10 58,124 2.594 2,0061 30.688,0 30,94

Βενζόλιο C6C6 78,114 3.486 2,6961 35.699,2 35,70

Νερό H2O 18,016 803,9 0,6218

Οξυγόνο O2 32,00 1.428 1,1044

Άζωτο

(καθαρό)

N2 28,016 1.250 0,9669

Αέρας (28,97) 1.293 1,0000

Διοξείδιο

του

Άνθρακα

CO2 44,011 1.964 1,5189

Μονοξείδιο

του

Άθρακα

CO 28,011 1.250 0,9667 3.035,5 2,38

Υδρογόνο H2 2,016 89,95 0,0696 3.054,2 2,38



Από την ατμοναμόρφωση του φυσικού αερίου λαμβάνουμε κυρίως H2 και CO.

Ακολουθούν οι φυσικοχημικές τους ιδιότητες.

Πίνακας 2.2: Φυσικοχημικές ιδιότητες κυρίων προϊόντων

Ιδιότητα Αέριο σύνθεσης

Υδρογόνο Μονοξείδιο του

Άνθρακα

Μοριακός Τύπος Η2 CO

Μοριακό Βάρος 2,0141 28,01

Πυκνότητα, g/ml 0,09*10-3

(στους 0οC,1 atm)

1.2501*10-3

(στους 0οC,1 atm)

Σημείο Ζέσεως, οC -252,6 -191,6

Σημείο Τήξης, οC -259 -

Θερμότητα Σχηματισμού,

KJ/mol

- -110,53

(στους 25 οC)

Θερμότητα Καύσης των

Ατμών, KJ/mol

- -

Θερμότητα Εξάτμισης,

KJ/mol

0,899

(στους -252,6 οC)

6,042

(στους -192 οC)

Θερμοχωρητικότητα,

J/(mol* οC)

19,70

(στους -252,6 οC)

29

(στους -192 οC)

Όρια αναφλεξιμότητας

στον αέρα, % όγκου (σε 1

bar και 20 οC)

Ανώτερο

Κατώτερο

75,0

4,0

74,2

12,5

Θερμοκρασία Ανάφλεξης, οC

585 650

Θερμοκρασία

Αυτανάφλεξης, οC

2045 609



Το φυσικό αέριο είναι οι ποσότητες αερίων που δημιουργήθηκαν στους

πυθμένες των θαλασσών κατά την διάρκεια προηγούμενων γεωλογικών

αιώνων από μεγάλο αριθμό μικροοργανισμών, υπό την επίδραση

βακτηριδίων απουσία αέρα. Στη συνέχεια και υπό την επίδραση γεωλογικών

ανακατατάξεων μετακινήθηκαν σε άλλες στρωματικές διαμορφώσεις στις

οποίες και απαντώνται σήμερα σαν κοιτάσματα φυσικού αερίου.

Το φυσικό αέριο είναι ένα μίγμα ελαφρών παραφινικών υδρογονανθράκων με

κύριο συστατικό το μεθάνιο και το αιθάνιο και δευτερεύοντα συστατικά το

προπάνιο και τις παραφίνες μεγαλύτερου μοριακού βάρους. Σε ορισμένες

περιπτώσεις το φυσικό αέριο περιέχει σημαντικές συγκεντρώσεις υδρόθειου

και διοξειδίου του άνθρακα, που όμως πρέπει να απομακρυνθούν πριν το

φυσικό αέριο διοχετευθεί στην κατανάλωση[2][30][32][36].

Πίνακας 2.3: Σύσταση φυσικού αερίου

Συστατικά Σύσταση

CH4 97,6

C2H6 1,216

C3H8 0,294

i-C4H10 0,036

n-C4H10 0,037

i-C5H12 0,008

n-C5H12 0,006

C6H14 and havier 0,006

CO2 0,040

N2 0,741

O2 -



2.2 Ιδιότητες ενδιάμεσων προϊόντων

Το μονοξείδιο του άνθρακα αποτελείται από ένα άτομο άνθρακα και ένα

άτομο οξυγόνου. Εκτός από εύφλεκτο είναι και επιβλαβές και αυτό γιατί είναι

τοξικό και άοσμο. Δεν υφίσταται από μόνο του, αφού παράγεται από ατελή

καύση εξαιτίας της έλλειψης οξυγόνου, κι αυτό αποτελεί το βασικότερο λόγο

ατυχημάτων στα σπίτια εφόσον το σύστημα θέρμανσης δεν συντηρείται

σωστά. Παράγεται σε μεγάλη κλίμακα στη βιομηχανία, σε συνδυασμό με το

υδρογόνο, από την αναμόρφωση υδρογονανθράκων (κυρίως του φυσικού

αερίου). Χρησιμοποιείται σε μεγάλες ποσότητες για την παραγωγή μιας

πληθώρας ενδιάμεσων οργανικών χημικών ενώσεων, όπως το οξικό οξύ, το

μυρμιγκικό οξύ, όπως και κάποια πολυμερή[2].

Η πιο σημαντική διεργασία παραγωγής αερίου σύνθεσης που εφαρμόζεται

στη βιομηχανία είναι η αναμόρφωση του φυσικού αερίου με ατμό. Αυτού του

είδους η αναμόρφωση γίνεται παρουσία καταλυτών.

Το διοξείδιο του άνθρακα είναι μια ένωση από ένα άτομο άνθρακα και δυο

άτομα οξυγόνου. Παράγεται από καύσεις άνθρακα ή υδρογονανθράκων,

ζύμωση υγρών και την αναπνοή ζωντανών οργανισμών. Βρίσκεται σε μικρές

ποσότητες στην ατμόσφαιρα και απορροφάται από τα φυτά προς παραγωγή

οξυγόνου. Χαρακτηρίζεται από μια ελαφριά μυρωδιά, είναι άχρωμο και

βαρύτερο από τον αέρα. Δεν είναι εύφλεκτο και είναι συμβατό με υλικά όπως

αλουμίνιο, brass, monel, χαλκό, ανθρακοχάλυβα, ανοξείδωτο χάλυβα, pvc,

Teflon, viton. Επίσης θεωρείται επικίνδυνο σε υψηλές πιέσεις και προκαλεί

προβλήματα κατά την εισπνοή του.

Η χρήση του είναι πολύ συχνή σε κάθε είδους βιομηχανία είτε είναι σε στέρεα

(ξηρός πάγος), είτε σε αέρια, είτε σε υγρή κατάσταση. Στη χημική και στις

φαρμακοβιομηχανίες το διοξείδιο του άνθρακα χρησιμοποιείται στις χημικές

συνθέσεις για τη ρύθμιση της θερμοκρασίας και του pΗ των διαφόρων

αντιδράσεων. Στα τρόφιμα χρησιμοποιείται κυρίως σε τρεις περιοχές:

Στα ανθρακούχα αναψυκτικά, μπύρες και νερό.

Στη συσκευασία τροφίμων αφού χαρακτηρίζεται για την αδράνεια και

τις βακτηριοστατικές του ιδιότητες.

Τέλος χρησιμοποιείται ως κρυογεννετικό ρευστό ή ως ξηρός πάγος για

τον έλεγχο θερμοκρασίας κατά τη διανομή των τροφίμων.



Στη παραγωγή μετάλλων χρησιμοποιείται για την προστασία του

περιβάλλοντος, ενώ στη χαρτοποιία για τον αλκαλικό καθαρισμό των

μηχανημάτων (ως ρυθμιστής του pΗ). Επιπλέον χρησιμοποιείται με τη μορφή

χιονιού για την κατάσβεση πυρκαγιών.

Η μονοαιθανολαμίνη (ΜΕΑ) αποτελείται από δυο άτομα άνθρακα, εφτά

άτομα υδρογόνου και ένα άτομο αζώτου. Είναι κι αυτή μια ουσία πολύ

εύφλεκτη, άχρωμη, ενώ έχει και τη χαρακτηριστική δυνατή οσμή της

αμμωνίας. Η φυσική της κατάσταση μπορεί να είναι υγρή και υπό χαμηλές

πιέσεις αέρια. Είναι διαλυτή στο νερό και γι' αυτό διανέμεται συνήθως με τη

μορφή υδατικού διαλύματος.Το υλικό που χρησιμοποιείται για τη μεταφορά,

τη χρήση και την αποθήκευση της είναι ο ανθρακοχάλυβας και ο ανοξείδωτος

χάλυβας.Χρησιμοποιείται ευρέως στις φαρμακοβιομηχανίες, στις βιομηχανίες

χρωμάτων και βερνικιών, στην παραγωγή πλαστικών, καθώς και σ' αυτή των

γεωργικών χημικών. Αξίζει να υπογραμμιστεί ότι είναι ιδιαίτερα επικίνδυνη

γιατί μπορεί να προκαλέσει τοξικά εγκαύματα σε κάθε ζωντανό ιστό. Επιπλέον

προκαλεί ερεθισμούς και αναπνευστικά προβλήματα κατά την εισπνοή

της[39].



ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3ο : ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΟΣ ΡΟΗΣ

Τα κυριότερα στάδια της διαδικασίας παραγωγής υδρογόνου από φυσικό

αέριο με τη μέθοδο της αναμόρφωσης ατμού (steam reforming process) είναι

τα εξής:

1. Αντίδραση των υδρογονανθράκων του φυσικού αερίου με ατμό

(Steam Reforming Reactor, SRR)

2. Μετατροπή του μονοξειδίου του άνθρακα σε διοξείδιο (High και Low

Temperature Shift, HTS και LTS)

3. Διαχωρισμός του παραγομένου υδρογόνου από τα παραπροϊόντα

των αντιδράσεων (Στήλη απορρόφησης μονοαιθανολαμίνης)

4. Αποθήκευση τελικού προϊόντος.

Οι παρεχόμενες πρώτες ύλες είναι ένα ρεύμα φυσικού αερίου (Φ.Α.) και ένα

νερού ύδρευσης. Το ρεύμα του Φ.Α., που παρέχεται απ' το δίκτυο σε πίεση

17 bar, αποτελείται από 97,6% CH4, 1,216% C2H6, μικρότερες ποσότητες

βαρύτερων υδρογονανθράκων, CO2 και Ν2, ενώ είναι πλήρως απαλλαγμένο

από θειούχες ενώσεις οι οποίες δηλητηριάζουν τους καταλύτες κι επιπλέον

βλάπτουν το περιβάλλον. Κατά την προετοιμασία των ρευμάτων πρώτων

υλών, το ΦΑ αποσυμπιέζεται στις 15 atm όπου λαμβάνει χώρα η όλη

διεργασία και προθερμαίνεται στους 400 °C με τη βοήθεια αυλωτού

εναλλάκτη θερμότητας (ο οποίος χρησιμοποιεί σαν πηγή θερμότητας

το ρεύμα εξόδου του αναμορφωτή). Η διεργασία μπορεί να

πραγματοποιηθεί σε όρια πίεσης 10-20 atm. Ο λόγος που επιλέγεται σαν

πίεση λειτουργίας 15 atm είναι ότι στη συγκεκριμένη πίεση η απόδοση της

αντίδρασης αναμόρφωσης ανέρχεται στο 0,9 ενώ συγχρόνως η απαιτούμενη

μάζα καταλύτη δεν είναι τόσο μεγάλη. Το νερό αρχικά απαλλάσσεται από τα

ιόντα ασβεστίου και χλωρίου που διαβρώνουν τους αντιδραστήρες και

δηλητηριάζουν τους καταλύτες, με τη βοήθεια φίλτρων άνθρακα και συσκευών

απιονισμού αντίστροφης όσμωσης. Στη συνέχεια υπερθερμαίνεται στους

450°C χρησιμοποιώντας boiler τύπου κελύφους - αυλών (το οποίο

χρησιμοποιεί σαν πηγή θερμότητας το ρεύμα καυσαερίων που έχει ήδη

χρησιμοποιηθεί απ' τον SRR). Τα δύο ρεύματα αναμιγνύονται κατά τέτοιο



τρόπο ώστε το αέριο μίγμα που δημιουργείται να έχει αναλογία ατμών προς

άνθρακα ίση με 3 (μια ενδεχόμενη μικρότερη αναλογία έχει σαν αποτέλεσμα

τη διάσπαση του μεθανίου σε κωκ). Η θερμοκρασία του μίγματος αυτού

ανέρχεται στους 430°C.

Το αέριο μίγμα εισέρχεται στον αντιδραστήρα αναμόρφωσης με ατμό (SRR),

όπου οι υδρογονάνθρακες του ΦΑ αντιδρούν προς σχηματισμό Η2 και CO,

ενώ σε μικρότερο βαθμό πραγματοποιείται και η αντίδραση σχηματισμού CO2

από CO και Η2Ο. Για τη διεργασία αυτή προτιμάται αντιδραστήρας εμβολικής

ροής (PFR) στον οποίο υπάρχει ενσωματωμένος καυστήρας. Ο

αντιδραστήρας, που κατασκευάζεται από ανοξείδωτο - λόγω του ότι εκτίθεται

σε έντονα οξειδωτικές συνθήκες - κράμα υψηλής περιεκτικότητας σε νικέλιο,

είναι τύπου κελύφους-αυλών. Η εξωτερική διάμετρος των αυλών είναι 0,1m. Ο

PFR προτιμάται:

α) διότι το αντιδρόν μίγμα βρίσκεται σε αέρια φάση και

β) επειδή με τον PFR επιτυγχάνεται μέγιστη θερμοκρασία στο παραπάνω

μίγμα, γεγονός που συνεπάγεται καλύτερη απόδοση με λιγότερη κατανάλωση

καυσίμου στον καυστήρα.. Ο τελευταίος, χρησιμοποιώντας σαν καύσιμο

μέρος της αρχικής τροφοδοσίας του ΦΑ, παρέχει την απαραίτητη

ενέργεια ενεργοποίησης στο αντιδρόν μίγμα διοχετεύοντας εντός του

κελύφους καυσαέρια υψηλής θερμοκρασίας με τη βοήθεια ενός ακροφυσίου.

Σαν καταλύτης στον SRR χρησιμοποιείται ένα συμπλοκοποιημένο στερεό

υλικό που περιέχει Νi (15% κ.β., ενεργό συστατικό), Ru (~1% κ.β., αυξάνει την

αποδοτικότητα του καταλύτη ενώ αποτρέπει και την παραγωγή κωκ απ' τη

διάσπαση των υδρογονανθράκων) και έχει σαν βάση την αλουμίνα (ΑΙ2Ο3, η

οποία είναι σταθερή σε υψηλές θερμοκρασίες).

Στις 15 atm, όπου λαμβάνει χώρα η αντίδραση, ο συντελεστής μετατροπής

του CH4 σε Η2 έχει υπολογιστεί με βάση το κινητικό μοντέλο της αντίδρασης

ίσος με 90%, ενώ για τους υπόλοιπους υδρογονάνθρακες του ΦΑ λαμβάνεται

ίσος με 100%. Το ρεύμα εξόδου του SRR, εκτός από τα προϊόντα της

αντίδρασης, περιέχει το ποσοστό των υδρογονανθράκων που δεν αντέδρασε,

καθώς και τις αρχικές προσμίξεις του ρεύματος του Φ.Α. που δεν έλαβαν

μέρος στην αντίδραση (CO2 και Ν2) και έχει θερμοκρασία 850°C.



Το παραπάνω ρεύμα οδηγείται σε ψύκτη (cooler) ώστε να κατέβει η

θερμοκρασία του στους 450°C και να προετοιμαστεί έτσι για την είσοδο του

στον HTS.Στον HTS πραγματοποιείται αντίδραση μεταξύ του CO και της

περίσσειας του Η2Ο προς σχηματισμό H2 και CO2 με βαθμό μετατροπής 85%.

Έπειτα ακολουθεί δεύτερος αντιδραστήρας ο οποίος λειτουργεί σε

χαμηλότερη θερμοκρασία (LTS), όπου ολοκληρώνεται η μετατροπή του CO

σε CO2. Με την αντίδραση αυτή επιτυγχάνεται τόσο η μεγιστοποίηση της

παραγωγής του Η2, όσο και η ελαχιστοποίηση της ποσότητας του

δηλητηριώδους CO στα προϊόντα της διεργασίας. Οι αντιδραστήρες που

χρησιμοποιούνται σ' αυτό το στάδιο είναι εμβολικής ροής, αυλού χωρίς

μανδύα. Μεταξύ των αντιδραστήρων παρεμβάλλονται δύο εναλλάκτες οι

οποίοι ρίχνουν τη θερμοκρασία του ρεύματος εξόδου του πρώτου

αντιδραστήρα από τους 532°C στους 232°C. Σαν καταλύτης στον πρώτο

αντιδραστήρα χρησιμοποιείται οξείδιο του σιδήρου (Fe2U3) ενισχυμένο με

χρώμιο (Cr) και στο δεύτερο χρησιμοποιείται οξείδιο του ψευδαργύρου (ΖnΟ)

σε χαλκό (Cu). Ο συντελεστής μετατροπής στη φάση αυτή θεωρείται ίσος με

100%.Το αέριο μίγμα, που αποτελείται από την περίσσεια του ατμού, τα

προϊόντα του SR και τα συστατικά του ΦΑ που δεν αντέδρασαν (Ν2, ποσοστό

CH4 που δεν αντέδρασε), οδηγείται στη μονάδα συμπύκνωσης όπου

υγροποιούνται οι υδρατμοί και ψύχεται στους 55°C. Ακολουθεί ένα δοχείο

(Water Knockout Vessel) στο οποίο διαχωρίζεται το συμπυκνωμένο Η2Ο απ'

το αναμορφωμένο αέριο μίγμα, πριν το τελευταίο οδηγηθεί στο σύστημα

καθαρισμού του Η2. To νερό που ανακτάται με τη διαδικασία αυτή δεν μπορεί

να επαναχρησιμοποιηθεί στη διεργασία, λόγω του ότι περιέχει διαλυμένο

ανθρακικό οξύ (H2CO3) το οποίο μπορεί να διαβρώσει τον εναλλάκτη

θέρμανσης του νερού, οπότε απομακρύνεται απ' τη μονάδα. Τα προϊόντα του

σταδίου αυτού βρίσκονται στη θερμοκρασία των 55°C.

Για να απαλλαγεί το αέριο μίγμα απ' το CO2 χρησιμοποιείται στήλη

απορρόφησης. Οι δυο εναλλακτικές τεχνικές που υπάρχουν είναι:

α) μέθοδος ανθρακικού καλίου και

β) μέθοδος μονοαιθανολαμίνης.

Προτιμάται η δεύτερη στην οποία επιτυγχάνεται εύκολα πλήρης ουσιαστικά

απορρόφηση του CO2 απ' το αέριο μίγμα, καθώς και πλήρης αναγέννηση του



με τη βοήθεια ενός εναλλάκτη θερμότητας, ο οποίος απαιτεί ελάχιστη

ποσότητα ατμού. Κατά τη διαδικασία αυτή το αέριο μίγμα διοχετεύεται στη

στήλη απορρόφησης απ' τον πυθμένα, ενώ το υδατικό διάλυμα της

μονοαιθανολαμίνης απ' την κορυφή. Στη θερμοκρασία των 50°C ευνοείται η

αντίδραση του CO2 με το παραπάνω διάλυμα προς σχηματισμό ανθρακικής

μονοαιθανολαμίνης. Απ' την κορυφή της στήλης ανακτάται το αέριο προϊόν

απαλλαγμένο απ' το CO2, ενώ απ' τη βάση το διάλυμα του ανθρακικού

άλατος. Με τη θέρμανση του τελευταίου στους 110°C αναγεννάται CO2 και

διάλυμα μονοαιθανολαμίνης, το οποίο αφού ψυχθεί οδηγείται με ρεύμα

ανακύκλωσης στην κορυφή της στήλης απορρόφησης.

Το αέριο προϊόν της διεργασίας - που αποτελείται κατά ένα συντριπτικό

ποσοστό από Η2 (-97%), ενώ περιέχει μικρές προσμίξεις Ν2, CO2 και CH4 -

αποθηκεύεται σε υγρή μορφή (Τ=-253°C, P=1 atm) σε σφαιρικό δοχείο

Dewar.



ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4ο :ΜΟΝΑΔΑ ΑΝΑΜΟΡΦΩΣΗΣ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ

ΜΕ ΑΤΜΟ

4.1 Αντιδραστήρας αναμόρφωσης φυσικού αερίου με ατμό

4.1.1 Γενικά

Ο αντιδραστήρας που χρησιμοποιείται για την αντίδραση των

υδρογονανθράκων με ατμό προς παραγωγή υδρογόνου είναι εμβολικής ροής

(plug flow reactor, PFR). Οι αντιδραστήρες αυτοί ονομάζονται και αυλωτοί

εμβολικής ροής, λόγω της φυσικής τους διαμόρφωσης (αυλοί) και των

συνθηκών ροής (εμβολική, τυρβώδης ροή). Στους PFR οι συγκεντρώσεις των

αντιδρώντων και η θερμοκρασία μεταβάλλονται κατά την αξονική διεύθυνση

και ανεξάρτητα της ακτινικής τους θέσης στον αντιδραστήρα (ομοιόμορφες

συνθήκες σε μια διατομή του αντιδραστήρα). Το ιδανικό αυτό μοντέλο μπορεί

να χρησιμοποιηθεί στην ανάλυση και το σχεδιασμό του συγκεκριμένου

αντιδραστήρα[7].

Οι αυλωτοί αντιδραστήρες μπορούν να ταξινομηθούν σε δύο κύριες

κατηγορίες:

Απλός αυλός με ή χωρίς μανδύα ψύξης-θέρμανσης.

Αντιδραστήρας-εναλλάκτης τύπου κελύφους - αυλών.

Στη συγκεκριμένη περίπτωση ο αντιδραστήρας που θα χρησιμοποιηθεί είναι

τύπου κελύφους - αυλών. Οι αντιδραστήρες - εναλλάκτες χρησιμοποιούνται

για αντιδράσεις με υψηλές ενεργειακές απαιτήσεις και βρίσκουν ευρεία

εφαρμογή σε καταλυτικές αντιδράσεις.

4.1.2 Κύριες Αντιδράσεις

Οι αντιδράσεις που πραγματοποιούνται μέσα στον αντιδραστήρα είναι οι εξής:

CH4 + H2O CO + 3H2 ΔHr = 240,1kJ/mol (4.1.1)

CO + H2Ο CΟ2 + H2 ΔHr = 2,85kJ/mol (4.1.2)

CH4 + 2H20 CΟ2 + 4H2 ΔHr = 253kJ/mol (4.1.3)

C2H6 + 2H2O 2CO + 5H2 ΔΗr =435,3kJ/mol (4.1.4)

C3H8 + 3H2O 3CO + 7H2 ΔHr =629,8kJ/mol (4.1.5)

C4H10 + 4H2O 4CO + 9H2 ΔHr =825,9kJ/mol (4.1.6)



C5H12 + 5H2Ο 5CO + 11H2 ΔΗr =1022,8kJ/mol (4.1.7)

C6H14 + 6Η2O 6CO + 13Η2 ΔΗr =1218kJ/mol (4.1.8)

Τα αντιδρώντα (φυσικό αέριο και ατμός) εισέρχονται στον αντιδραστήρα στην

αέρια φάση. Ο ατμός της τροφοδοσίας βρίσκεται σε αναλογία 3:1 ως προς το

μίγμα υδρογονανθράκων και θεωρείται ότι είναι καθαρότητας 100%. Το

αντιδρόν μίγμα κυκλοφορεί διαμέσου των αυλών μέσα στους οποίους

βρίσκεται ο καταλύτης. Σαν καταλύτης στον SRR χρησιμοποιείται ένα

συμπλοκοποιημένο στερεό υλικό που περιέχει Νi (15% κ.β., ενεργό

συστατικό), Ru (~1% κ.β., αυξάνει την αποδοτικότητα του καταλύτη, ενώ

αποτρέπει και την παραγωγή κωκ απ' τη διάσπαση των υδρογονανθράκων)

και έχει σαν βάση την αλουμίνα (Α12Ο3, η οποία είναι σταθερή σε υψηλές

θερμοκρασίες)[21].

Λόγω του ότι οι πραγματοποιούμενες αντιδράσεις είναι ενδόθερμες, κρίνεται

απαραίτητη η παροχή θερμότητας στο αντιδρόν μίγμα. Αυτή επιτυγχάνεται με

τη διοχέτευση καυσαερίων υψηλής θερμοκρασίας στο κέλυφος.

4.1.3 Σχεδιασμός και βελτιστοποίηση του αντιδραστήρα

Σχεδιασμός αντιδραστήρα Ο σχεδιασμός του αντιδραστήρα στηρίζεται στην επίλυση των κινητικών

μοντέλων των αντιδράσεων (4.1), (4.2), (4.3). Επίσης οι υπόλοιπες

αντιδράσεις θεωρείται ότι γίνονται ακαριαία και δεν επηρεάζουν την ολική

ταχύτητα, ενώ οι συνθήκες αντίδρασης είναι T=850°C, P=15 atm. Οι

εκφράσεις των ταχυτήτων για τις τρεις αντιδράσεις αντίστοιχα είναι οι εξής[24]:

2

321

4 22.52 1

1 2

222

2 22 2

2343.5

23

4.1.9

4.1.10

H COCH H O

H

H COCO H O

H

CH HH

p pkp p

p Kr

DEN

p pkp p

p Kr

DEN

kp p

pr

42 2

23

2

2 22 2 4 4

2

4.1.11

1 4.1.12

H COO

H O H OCO CO H H CH CH

H

p p

K

DEN

K pDEN K p K p K p

p

όπου:



k1: προεκθετικός παράγοντας πρώτης αντίδρασης, 4,225.1015

k2: προεκθετικός παράγοντας δεύτερης αντίδρασης, 1,955.106

k3: προεκθετικός παράγοντας τρίτης αντίδρασης, 1,02.1015

KCO,KH2 ,KCH4, ΚΗ2Ο: προεκθετικοί παράγοντες

pCO: μερική πίεση μονοξειδίου του άνθρακα

pH2: μερική πίεση υδρογόνου

PCH4: μερική πίεση μεθανίου

ΡΗ2O: μερική πίεση νερού

Για το σχεδιασμό του αντιδραστήρα αναμόρφωσης ακολουθείται η παρακάτω

διαδικασία:

1. Με τη βοήθεια προγράμματος Runge-Kutta 4ης τάξης υπολογίζεται η μάζα

του καταλύτη. Με γνωστή τη μάζα του καταλύτη και την πυκνότητα του

βρίσκεται ο όγκος του καταλύτη από την παρακάτω σχέση:

m V (4.1.13)

όπου,

mκατ: μάζα καταλύτη, kg

Ρκατ: πυκνότητα καταλύτη, kg/m3

νκατ: όγκος καταλύτη, m3

2. Στη συνέχεια θεωρώντας ότι το πορώδες (ε) της κλίνης μέσα στους αυλούς

είναι ίσο με 0,5 υπολογίζεται ο όγκος του αντιδραστήρα.

ε = 1 - Vκαταλύτη / Vαντιδραστήρα (4.1.14)

3. Επιλέγουμε μήκος αυλών ίσο με 12m και διάμετρο αυλών ίση με 0,1m (τιμή

που προήλθε από τη βελτιστοποίηση) και υπολογίζεται ο αριθμός των αυλών

σύμφωνα με την πιο κάτω σχέση:

2

4

DV N z

(4.1.15)



όπου,

V: όγκος αντιδραστήρα μέσα στους αυλούς, m3

z: μήκος των αυλών, m

D: εσωτερική διάμετρος, m

Ν: αριθμός αυλών

4. Ακολούθως υπολογίζεται η πτώση πίεσης μέσα στους αυλούς από την

παρακάτω σχέση Ergun:

22

3 2 3

1,75 1 150 1/ z

s p

pU U

D D

(4.1.16)

όπου,

ΔΡ/Δz: πτώση πίεσης ανά μονάδα μήκους αυλού, Pa/m

U: φαινόμενη ταχύτητα του αντιδρώντος μίγματος μέσα στους αυλούς

ρ: πυκνότητα αντιδρώντος μίγματος

Ds: Ισοδύναμη διάμετρος καταλυτικού δακτυλιδιού

μ: ιξώδες αντιδρώντος μίγματος, Pa s

5. Η φαινόμενη ταχύτητα υπολογίζεται από τη σχέση:

2

4

QU

DN

(4.1.17)

όπου, Q: παροχή του αντιδρώντος μίγματος

6. Η επιφάνεια εναλλαγής θερμότητας, υπολογίζεται από τη σχέση:

A D z N (4.1.18)

όπου,

Α: επιφάνεια εναλλαγής θερμότητας, m2

z: μήκος των αυλών, m

D: εσωτερική διάμετρος, m

Ν: αριθμός αυλών



Βελτιστοποίηση αντιδραστήρα

Οι σχεδιαστικές σχέσεις που περιγράφουν τη λειτουργία του R-101 είναι η

σχεδιαστική του αντιδραστήρα εμβολικής ροής για την αντίδραση του CH4 με

το Η2Ο, η σχεδιαστική του αντιδραστήρα εμβολικής ροής για την αντίδραση

μετατροπής του CO σε CO2 και Η2, το ισοζύγιο ενέργειας στον αντιδραστήρα,

η σχέση που ορίζει την αναλογία moles CH4 και Η2Ο και η σχέση που δίνει το

συνολικό όγκο των αντιδραστήρων εμβολικής ροής που απαρτίζουν τον R-

101. Οι μεταβλητές που υπεισέρχονται στις παραπάνω πέντε εξισώσεις είναι

δεκατρείς (moles CH4, Η2Ο, CO, βαθμός απόδοσης και ταχύτητα για την

αντίδραση του CH4 με το Η2Ο, βαθμός απόδοσης και ταχύτητα για την

αντίδραση του CO σε CO2 και Η2, θερμοκρασία αντίδρασης, θερμοτονισμός,

όγκος αντιδραστήρα, αριθμός αυλών, διάμετρος αυλών και μήκος αυλών).

Άρα: Αριθμός μεταβλητών - Αριθμός σχεδιαστικών εξισώσεων = 8

Εάν ορισθούν 7 (βαθμοί απόδοσης, moles CH4, CO, θερμοκρασία, μήκος

αυλών, θερμοτονισμός) από αυτές τις μεταβλητές θα μείνει μία ως

σχεδιαστική μεταβλητή. Η σχεδιαστική μεταβλητή εδώ είναι η διάμετρος των

αυλών.

Διάγραμμα 4.1.1 Κόστος αντιδραστήρα συναρτήσει της διαμέτρου των αυλών

του.



Παρατηρώντας το διάγραμμα μεταξύ κόστους και διαμέτρου αντιδραστήρα

διαπιστώνεται ότι η βέλτιστη διάμετρος είναι 0,32 ft ή 0,1m. Με επιλογή

μικρότερης διαμέτρου, δηλαδή μεγαλύτερης επιφάνειας εναλλαγής, το κόστος

του αντιδραστήρα θα ήταν υψηλότερο, ενώ με μεγαλύτερη διάμετρο το κόστος

θα ήταν το ίδιο, αλλά η επιφάνεια εναλλαγής μικρότερη.

4.1.4 Υπολογισμός προσδιδόμενης ενέργειας

Η παροχή θερμότητας στον αντιδραστήρα είναι απαραίτητη, λόγω των

ενδόθερμων αντιδράσεων. Η θερμότητα δίδεται από καυστήρα που συνοδεύει

τον αντιδραστήρα και μεταδίδεται με συναγωγή και με ακτινοβολία στους

αυλούς του SMR για την παραγωγή ατμού.

Η ροή θερμότητας υπολογίζεται από την ακόλουθη εξίσωση:

1 0 4 0p i CHQ mC T T m (4.1.19)

όπου,

Q1: το θερμικό καθήκον αντιδραστήρα, kW

m: μαζική παροχή αντιδρώντος μίγματος, kg/h

Cp: θερμοχωρητικότητα αντιδρώντων

Ti: θερμοκρασία αντίδρασης, Κ

Τ0: θερμοκρασία εισόδου αντιδρώντος μίγματος, Κ

ΔΗ0: θερμοτονισμός της αντίδρασης

4.1.5 Κοστολόγηση του αντιδραστήρα

Το κόστος του αυλωτού αντιδραστήρα μπορεί να εκτιμηθεί θεωρώντας τον

ισοδύναμο με εναλλάκτη θερμότητας[33].

Το χαρακτηριστικό μέγεθος για την κοστολόγηση των εναλλακτών είναι η

επιφάνεια εναλλαγής θερμότητας. Σύμφωνα με τη βιβλιογραφία[38], το πάγιο

κόστος ενός εναλλάκτη κατασκευασμένου από Inconel δίδεται από τον τύπο:

d m p bC f f f C (4.1.20)



όπου,

exp 1,1156 0,0906 1df nA (4.1.21)

1, 2040 0,50764 1mf nA (4.1.22)

0,7771 0,04981 1pf nA (4.1.23)

2exp 8,821 0,30863 1 0,0681 1bC nA nA (4.1.24)

Ο παράγοντας fd εξαρτάται από τον τύπο του εναλλάκτη και για fixed head

ισχύει η εξίσωση (4.1.21). Ο παράγοντας fp εξαρτάται από την πίεση στον

αντιδραστήρα ενώ ο παράγοντας fm από το υλικό κατασκευής. Το αποτέλεσμα

της παραπάνω σχέσης διορθώνεται για καθε έτος με τη βοήθεια των δεικτών

του περιοδικού Chemical Engineering και πολλαπλασιάζεται με τον

συντελεστή εγκατάστασης , για να υπολογιστεί το κόστος αγοράς και

εγκατάστασης της συσκευής.

Υπολογισμός Κόστους καταλυτών

Στο κόστος του αντιδραστήρα πρέπει να συνυπολογιστεί και το κόστος του

καταλύτη. Ο καταλύτης θεωρείται ότι έχει διάρκεια ζωής ίση με αυτή του

αντιδραστήρα (10 έτη). Η απαιτούμενη ποσότητα καταλύτη έχει υπολογιστεί

παραπάνω και το κόστος δίνεται από την παρακάτω σχέση:

. .C V a (4.1.21)

όπου,

α: τιμή καταλύτη ανά μονάδα όγκου, €/m3 (για ΝiΟ-Αl2Ο3)

V: όγκος καταλύτη, m3

4.2 Καυστήρας

4.2.1 Γενικά Για την πραγματοποίηση της αντίδρασης στον αντιδραστήρα αναμόρφωσης

που χρησιμοποιείται στη μονάδα παραγωγής υδρογόνου, απαιτείται ένα ποσό

θερμότητας. Η θερμότητα αυτή παρέχεται στον αντιδραστήρα από έναν

καυστήρα, τα καυσαέρια του οποίου διοχετεύονται εντός του αντιδραστήρα με



τη βοήθεια ακροφυσίου. Σαν καύσιμο υλικό μπορεί να χρησιμοποιηθεί υγρό,

οπότε ο καυστήρας ονομάζεται άμεσης θέρμανσης υγρού καυσίμου (Direct air

fuel - oil air heater), ή αέριο, οπότε ο καυστήρας ονομάζεται άμεσης

θέρμανσης αέριου καυσίμου (Direct gas air heater). Οι βασικές διαφορές

μεταξύ των καυστήρων υγρού και αέριου καυσίμου είναι στον ψεκασμό του

καυσίμου και στην ανάμιξη του με τον αέρα, στον βαθμό απόδοσης και στις

θερμοκρασίες εξόδου του αέρα που μπορούν να επιτευχθούν. Έτσι για τη

θέρμανση της παροχής των αντιδρώντων χρησιμοποιείται καυστήρας αερίου

καυσίμου άμεσης θέρμανσης.

Καυστήρες άμεσης θέρμανσης αερίου καυσίμου Οι καυστήρες αέριου καυσίμου λειτουργούν βάσει των αρχών αερισμού. Το

αέριο καύσιμο αναμιγνύεται με μέρος ή με όλη την ποσότητα του αέρα που

απαιτείται για την καύση. Για την επίτευξη καλής ανάμιξης με τον αέρα

καύσης, το καύσιμο ρέει διαμέσου ενός στενού ανοίγματος (jet), αποκτώντας

έτσι μεγάλη ταχύτητα. Τα μίγματα αέριου καυσίμου και αέρα εμφανίζουν

ανώτατο και κατώτατο όριο, πάνω και κάτω από τα οποία παύουν να είναι

εύκολα αναφλέξιμα. Στην περίπτωση μιγμάτων φυσικού αερίου και αέρα, το

ποσοστό του φυσικού αερίου πρέπει να είναι μεταξύ 5 και 14% κ.ό..

Οι καυστήρες αέριου καύσιμου άμεσης θέρμανσης έχουν απλούστερη

κατασκευή έναντι των καυστήρων έμμεσης θέρμανσης. Αποτελούνται από ένα

κυλινδρικό θάλαμο καύσης κατασκευασμένο από μονωμένο χάλυβα υψηλής

θερμικής αντοχής. Η απόδοση τους είναι της τάξης του 95 με 98%. Οι

καυστήρες αυτού του είδους έχουν το μικρότερο κόστος κατασκευής σε σχέση

με τους καυστήρες άμεσης θέρμανσης άλλου τύπου.

Η απαιτούμενη ροή αέριου καυσίμου, υπολογίζεται από τον παρακάτω

τύπο[25]:

CV

Qw

Q n (4.2.1)



όπου,

W: ο ρυθμός ροής του αέριου καυσίμου, kg/h

Q: το θερμικό καθήκον του καυστήρα, Kw

Qcv: η κατώτερη θερμογόνος δύναμη του καυσίμου, kj/kg

n: ο βαθμός απόδοσης του καυστήρα

Το θερμικό καθήκον του καυστήρα ισούται με την απαιτούμενη θερμότητα

στον αντιδραστήρα (Q):

1 4p i o CH oQ mC T T n (4.2.2)

όπου,

Q1: το θερμικό καθήκον αντιδραστήρα, kW

m: μαζική παροχή αντιδρώντος μίγματος, kg/h

Cp: θερμοχωρητικότητα αντιδρώντων

Τi: θερμοκρασία αντίδρασης, Κ

Τo: θερμοκρασία εισόδου αντιδρώντος μίγματος, Κ

ΔΗο: θερμοτονισμός της αντίδρασης, kj/mole CH4

nCH4: γραμμομόρια CH4 στην είσοδο

Η απαιτούμενη μαζική παροχή αέρα δίνεται από την πιο κάτω εξίσωση.

mair=e.W (4.2.3)

όπου,

mair: απαιτούμενη μαζική παροχή αέρα, kg/s

ε: περίσσεια αέρα, ε = 1,2

4.2.2 Υπολογισμός του κόστους του καυστήρα Για τον υπολογισμό του κόστους του καυστήρα χρησιμοποιείται η ακόλουθη

σχέση[38]:

C=k(Fd + Fm + Fp) (Q)0,85 (4.2.4)



όπου,

Q: θερμικό καθήκον της συσκευής εκφρασμένο σε 106 Btu/hr

Η παραπάνω σχέση ισχύει για θερμικό καθήκον μέχρι 2.108 Btu/hr, οπότε η

τιμή του κόστους αγοράς διορθώνεται για καθε έτος σύμφωνα με τους δείκτες

του περιοδικού Chemical Engineering και με τη βοήθεια της σχέσης:

Ca=Cb[Qa/ Qb]M (4.2.5)

όπου,

Fd: είναι συντελεστής και συσχετίζεται με το είδος της συσκευής

Fm: συντελεστής που συσχετίζεται με το υλικό κατασκευής

Fp: συντελεστής που συσχετίζεται με την πίεση σχεδιασμού

Q: θερμικό καθήκον της συσκευής εκφρασμένο σε 106 Btu/hr

Κ: συντελεστής που συσχετίζεται με το υλικό κατασκευής

Μ: κλίση της υποτιθέμενης ευθείας γραμμής συσχέτισης σε λογαριθμικές

συντεταγμένες

Qa, Qb: θερμικά καθήκοντα

Ca,Cb: κόστη για τα αντίστοιχα θερμικά καθήκοντα

Θεωρώντας ότι η συσκευή ανήκει στην κατηγορία process heater, ο

συντελεστής Fd λαμβάνεται ίσος με τη μονάδα (Fd = 1). Το υλικό κατασκευής

είναι ανθρακοχάλυβας (carbon steel), συνεπώς ο συντελεστής Fm = 0, ενώ η

πίεση σχεδιασμού είναι πάνω από 500 psi, οπότε ο συντελεστής Fp = 0.

4.3 Μονάδα παραγωγής ατμού

4.3.1 Γενικά

Για την πραγματοποίηση της αντίδρασης αναμόρφωσης του φυσικού αερίου

στη μονάδα παραγωγής υδρογόνου απαιτείται μεγάλη ποσότητα ατμού. Σαν

πηγή θερμότητας για την παραγωγή της ποσότητας αυτής χρησιμοποιούνται

θερμά καυσαέρια, τα οποία εξέρχονται από τον SRR και μεταφέρουν

θερμότητα με συναγωγή από τον καυστήρα. Η παραγωγή ατμού λαμβάνει

χώρα σε εξατμιστήρα μεγάλου μήκους αυλών[33].



4.3.2 Σχεδιασμός της μονάδας παραγωγής ατμού

Για το σχεδιασμό της μονάδας ακολουθούνται τα παρακάτω βήματα:

1. Αρχικά υπολογίζεται το θερμικό καθήκον του εξατμιστήρα σύμφωνα με την

παρακάτω σχέση:

1

742

77

s

g

s

T

P p

T

Q m C dT m m C dT (4.3.1)

όπου,

m: παροχή μάζας νερού (= 2,46.105 lb/h)

CP1: ειδική θερμότητα του υγρού νερού (= 1 Btu/lb°F)

CPg: ειδική θερμότητα του ατμού (= 0,44 Btu/lb-°F)

Ts: θερμοκρασία κορεσμού του νερού για πίεση 14,7 psia (=212° F)

λ: ενθαλπία εξάτμισης του κορεσμένου νερού σε πίεση 14,7 psia (= 970,3

Btu/lb)

2. Υπολογίζεται η μέση λογαριθμική διαφορά θερμοκρασίας από την εξίσωση:

2 1 1 2

2 1

1 2

ln

T t T tLMTD

T tT t

(4.3.2)

όπου,

LMTD: μέση λογαριθμική διαφορά θερμοκρασιών των δύο ρευμάτων, °F

Τ1, Τ2: αρχική και τελική θερμοκρασία θερμαινόμενου ρεύματος, °F

t1, t2: αρχική και τελική θερμοκρασία θερμαντικού μέσου, °F

3. Υποθέτουμε μια τιμή για τον ολικό σχεδιαστικό συντελεστή μεταφοράς

θερμότητας, UD, από τη βιβλιογραφία[26].

4. Η επιφάνεια εναλλαγής θερμότητας υπολογίζεται από την παρακάτω

σχέση:’

D

QA

U LMTD

(4.3.3)



όπου,

Α: επιφάνεια εναλλαγής θερμότητας, ft2

UD: σχεδιαστικός ολικός συντελεστής μεταφοράς θερμότητας, Btu/hr.°F.ft2

Q : ροή θερμότητας στον εναλλάκτη, Btu/hr

LMTD: μέση λογαριθμική διαφορά θερμοκρασίας των δύο ρευμάτων του

εναλλάκτη

5. Υπολογίζεται ο αριθμός των αυλών στο κέλυφος από την εξίσωση:

t

AN

ODL (4.3.4)

όπου,

Nt: αριθμός αυλών

OD: εξωτερική διάμετρος αυλών, in (τυποποιημένες τιμές)[26],

L: μήκος αυλού, ft (τυποποιημένες τιμές)[26].

4.3.3 Υπολογισμός κόστους μονάδας παραγωγής ατμού

Η κοστολόγηση των συσκευών εναλλαγής θερμότητας γίνετε με τη βοήθεια

συναρτήσεων κόστους που δίνονται στη βιβλιογραφία. Το χαρακτηριστικό

μέγεθος για την κοστολόγηση των εξατμιστήρων είναι η επιφάνεια εναλλαγής

θερμότητας. Σύμφωνα με τη βιβλιογραφία[38] , το πάγιο κόστος ενός

εξατμιστήρα με μεγάλο μήκος αυλών δίνεται από την πιο κάτω σχέση:

0.850.36 mC f A (4.3.5)

όπου,


fm: συντελεστής που εξαρτάται από το υλικό κατασκευής

Το κόστος αγοράς που υπολογίστηκε παραπάνω πολλαπλασιάζεται με το

συντελεστή αγοράς και εγκατάστασης για να υπολογιστεί το συνολικό κόστος.

Το τελικό κόστος της μονάδας παραγωγής ατμού δεν συμπεριλαμβάνεται στο

συνολικό κόστος του μηχανολογικού εξοπλισμού, γιατί υπολογίζεται η τιμή του

στο κόστος του καυστήρα.



4.4 Απιονισμός νερού

4.4.1 Γενικά

Στις περισσότερες περιπτώσεις, το νερό που παρέχεται από τα δίκτυα

ύδρευσης στις διάφορες εργοστασιακές μονάδες δεν έχει τον απαιτούμενο

βαθμό καθαρότητας ώστε να μπορεί να χρησιμοποιηθεί άμεσα. Συγκεκριμένα,

εκτός απ 'τις όποιες ακαθαρσίες, περιέχει και μια σημαντική ποσότητα ιόντων.

Τα τελευταία, ερχόμενα σε διαρκή επαφή με τα μεταλλικά τμήματα των

διαφόρων συσκευών είναι σε θέση να προκαλέσουν διάβρωση σε σημαντικό

βαθμό. Επιπλέον, υπάρχει η πιθανότητα κάποιο απ' αυτά να δημιουργεί

πρόβλημα σε ένα στάδιο της παραγωγικής διαδικασίας της μονάδας, π.χ. να

εμποδίζει την ομαλή διεξαγωγή μιας αντίδρασης ή να δηλητηριάζει κάποιον

καταλύτη. Για τους παραπάνω λόγους το νερό του τοπικού δικτύου ύδρευσης

πριν χρησιμοποιηθεί υφίσταται τη διαδικασία του απιονισμού.

Ενδεικτικά αναφέρονται ορισμένες μέθοδοι απιονισμού όπως η αντίστροφη

όσμωση και η ηλεκτροδιάλυση, κατά τις οποίες χρησιμοποιούνται ειδικές

μεμβράνες στις οποίες κατακρατώνται τα ιόντα, καθώς και η ιοντοεναλλαγή,

όπου με τη βοήθεια των κατάλληλων ρητινών γίνεται μεταφορά μιας

ποσότητας ιόντων από μια υγρή φάση σε ένα αδιάλυτο στερεό ή αντίστροφα.

4.4.2 Διεργασίες Απιονισμού

Ιόντα όπως του χλωρίου και του ασβεστίου, τα οποία υπάρχουν σε

σημαντικές ποσότητες στο δίκτυο ύδρευσης, μπορούν σε υψηλές

θερμοκρασίες να προξενήσουν μεγάλη φθορά στο σύστημα

ατμοαναμόρφωσης, ενώ μπορούν να δηλητηριάσουν και τους καταλύτες τόσο

στον αναμορφωτή όσο και στον αντιδραστήρα shift. Κατά συνέπεια, πριν

χρησιμοποιηθεί το νερό υφίσταται απιονισμό. Στη συγκεκριμένη μονάδα η

μέθοδος που ενδείκνυται είναι αυτή της αντίστροφης όσμωσης. Καταρχήν

όμως γίνεται μια προκατεργασία του νερού με φίλτρο ενεργού άνθρακα ώστε

να απομακρυνθεί κάποια ποσότητα χλωρίου.



Φίλτρο Άνθρακα

Γενικά, τα φίλτρα χρησιμοποιούνται στις διεργασίες καθαρισμού του νερού

ώστε να το προετοιμάσουν για την εφαρμογή της κύριας μεθόδου

καθαρισμού. Η προκατεργασία αυτή που πραγματοποιείται αποσκοπεί στην

αποφυγή της ρύπανσης των μεμβρανών.

Τα φίλτρα ενεργού άνθρακα χρησιμοποιούνται για την απομάκρυνση των

ιόντων χλωρίου απ 'το νερό. Καθώς το τελευταίο ρέει διαμέσου της κλίνης του

κοκκοποιημένου ενεργού άνθρακα, τα διαλυμένα ιόντα χλωρίου διαχέονται

από το υγρό στους πόρους του άνθρακα και προσροφόνται στην επιφάνεια

αυτών. Ο ενεργός άνθρακας παράγεται με πυρόλυση υλικών υψηλής

περιεκτικότητας σε άνθρακα (όπως κάρβουνο, ξύλο, κελύφη καρύδας) και

είναι ιδιαίτερα πορώδης. Ενδεικτικά αναφέρεται ότι σε ποσότητα μιας

κουταλιάς του περικλείεται συνολική επιφάνεια ίση με ένα γήπεδο

ποδοσφαίρου. Για μέγιστη επιφάνεια ο προτεινόμενος αριθμός mesh είναι

12x40. Ορισμένες φορές μπορεί να περιέχει προσμίξεις αλουμινίου ή και

άλλων μετάλλων. Τέλος, ο άνθρακας πρέπει να αντικαθίσταται ανά τακτά

χρονικά διαστήματα για την αποφυγή ανάπτυξης μικροοργανισμών στη μάζα

του, ενώ όταν χάνει την προσροφητική του ικανότητα επανενεργοποιείται με

την κατάλληλη θερμική επεξεργασία.

Αντίστροφη Όσμωση

Η αντίστροφη όσμωση είναι μια διεργασία που έχει σαν κινητήρια δύναμη την

πίεση, η οποία επιτρέπει το διαχωρισμό των διαλυτών συστατικών από το

νερό. Συγκεκριμένα, όταν η εφαρμοζόμενη πίεση σε ένα υδατικό διάλυμα που

βρίσκεται σε επαφή με μια ημιπερατή μεμβράνη υπερβαίνει την οσμωτική

πίεση του διαλύματος αυτού, το νερό αναγκάζεται να περάσει διαμέσου της

μεμβράνης, αφήνοντας έτσι πίσω τα διαλυτά συστατικά του. Η μεμβράνη

δηλαδή δρα σαν ένα μοριακό φίλτρο που συγκρατεί τα διαλυμένα συστατικά

του υδατικού διαλύματος. Οι χρησιμοποιούμενες μεμβράνες κατασκευάζονται

από διάφορα πολυμερή, όπως κυτταρίνη, πολυαμίδιο, πολυακρυλονιτρίλιο

κ.ά.. Λόγω του μηχανισμού μεταφοράς της μάζας του νερού διαμέσου των

μεμβρανών, μια ιδανική απόρριψη των διαλυμένων συστατικών του κατά 100

% δεν είναι δυνατή, αλλά αποδόσεις της τάξης του 95% είναι εφικτές.



Τα κριτήρια επιλογής και κατασκευής μιας μεμβράνης είναι: α) να έχει

υψηλούς συντελεστές διέλευσης νερού και απόρριψης αλάτων και β) να έχει

τη μέγιστη δυνατή επιφάνεια σε συνδυασμό με το ελάχιστο δυνατό πάχος. Τα

δύο αυτά κριτήρια επιτυγχάνονται με τη χρησιμοποίηση μεμβρανών λεπτών

κοίλων ινών. Επίσης, όταν στους πόρους των μεμβρανών παγιδευτούν ξένα

σωματίδια, απαιτείται καθαρισμός ο οποίος επιτυγχάνεται με τη

χρησιμοποίηση -κατά περίπτωση- διαλυμάτων HC1 και NaOH.

Η διάρκεια ζωής των μεμβρανών για τεχνοοικονομικούς λόγους θα πρέπει να

ξεπερνά τα 5 έτη. Η χρησιμότητα μιας μεμβράνης θεωρείται ότι λήγει όταν

διπλασιαστεί ο αρχικός συντελεστής διέλευσης αλάτων και όταν η παροχή

επεξεργασμένου νερού μειωθεί κάτω από ένα ελάχιστο αποδεκτό

όριο[11][43].

4.4.3 Εκτίμηση Κόστους Μονάδας Απιονισμού

Στην μια τέτοια μονάδα η απαιτούμενη τροφοδοσία νερού ανέρχεται περιπου

στα 107m3/ hr. Για τον καθαρισμό αυτής της παροχής νερού

χρησιμοποιούνται έξι παράλληλα συνδεδεμένες συσκευές αντίστροφης

όσμωσης, κάθε μία από τις οποίες θα λαμβάνει νερό προκατεργασμένο από

φίλτρα άνθρακα.

Σύμφωνα με βιβλιογραφικές πηγές υπολογίζεται το συνολικό κόστος αγοράς

των συσκευών καθαρισμού του νερού καθώς και το κόστος λειτουργίας

.[42],[45],[46].



ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5ο :ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΕΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ CO σε CO2

5.1 Γενικά

Οι αντιδραστήρες που χρησιμοποιούνται για την μετατροπή του μονοξειδίου

του άνθρακα με προσθήκη ατμού σε διοξείδιο του άνθρακα και υδρογόνο είναι

εμβολικής ροής (plug flow reactor, PFR). Στη συγκεκριμένη περίπτωση οι

αντιδραστήρες που θα χρησιμοποιηθούν είναι τύπου απλού αυλού, χωρίς

μανδύα ψύξης-θέρμανσης[7].

Η αντίδραση, η οποία πραγματοποιείται σε δύο διαδοχικούς αντιδραστήρες με

διαφορετικές όμως θερμοκρασιακές συνθήκες, είναι η εξής:

2 2 2CO H O CO H (5.1)

Το αέριο σύνθεσης που παράγεται στον αντιδραστήρα αναμόρφωσης,

οδηγείται μετά από ψύξη στον πρώτο αντιδραστήρα μετατροπής μονοξειδίου

του άνθρακα σε διοξείδιο (High Temperature Shift, HTS). Εκεί

πραγματοποιείται η παραπάνω αντίδραση σε σχετικά υψηλή θερμοκρασία

(450°C). Ο καταλύτης που χρησιμοποιείται είναι το χρώμιο σε φορέα οξειδίου

του σιδήρου (Cr σε Fe2O3), ενώ ο βαθμός μετατροπής σ' αυτό το στάδιο

ανέρχεται στο 85%. Στη συνέχεια, το προϊόν του πρώτου αντιδραστήρα

ψύχεται και οδηγείται στον δεύτερο (Low Temperature Shift, LTS), όπου και

ολοκληρώνεται η μετατροπή του μονοξειδίου του άνθρακα σε διοξείδιο (η

συνολική απόδοση της διεργασίας είναι ίση με 100%). Ο δεύτερος

αντιδραστήρας λειτουργεί σε χαμηλότερη θερμοκρασία (230°C), ενώ σαν

καταλύτης χρησιμοποιείται το οξείδιο του ψευδαργύρου σε φορέα χαλκού

(ΖnΟ σε Cu)[34].

5.2 Σχεδιασμός και βελτιστοποίηση των αντιδραστήρων

Για το σχεδιασμό τόσο του αντιδραστήρα υψηλής θερμοκρασιακής

λειτουργίας όσο και για αυτόν χαμηλής, ακολουθούνται τα παρακάτω βήματα:

1. Αρχικά εκφράστηκε η ταχύτητα της αντίδρασης συναρτήσει του βαθμού

μετατροπής σύμφωνα με την παρακάτω σχέση:

2 2 2 / / 379CO CO H O CO Hr k y y y y K p (5.2)



όπου:

k: exp(15,95-8820/T) για καταλύτη Fe2O3

k: exp(12,88-3340/T) για καταλύτη ZnO

Κ: exp(-4,72+8640/T)

Ρ: πίεση αντίδρασης, atm

(-rco): ταχύτητα lb moles CO/(lb καταλύτη) hr

Τ: θερμοκρασία, Κ

Yi: γραμμομοριακό κλάσμα i συστατικού

ρ: πυκνότητα καταλύτη, lb/ft3

ψ: ενεργότητα αντίδρασης

ψ: 1,53+0,123Ρ για καταλύτη Fe2O3

ψ: 0,86+0,14Ρ για καταλύτη ZnO

2. Έπειτα εκφράστηκε η ταχύτητα σε συνάρτηση με το βαθμό μετατροπής με

το ισοζύγιο ενέργειας:

1j pj i i co co TF c T T F (5.3)

όπου,

Fj: ροή συστατικού j

Cp: θερμοχωρητικότητα συστατικού j

Τi: θερμοκρασία εισόδου

Ti+1: θερμοκρασία εξόδου

ΔΗ: θερμοτονισμός της αντίδρασης

Μετά από την αντικατάσταση των τιμών η τελική σχέση μεταξύ θερμοκρασίας

και βαθμού μετατροπής είναι:

Τ=3940-(3214/(1+0,03x)) για τον πρώτο αντιδραστήρα

Τ=4390-(3887/(1+0,079x)) για τον δεύτερο αντιδραστήρα

3. Η θερμοκρασία αντικαθίσταται στη σχέση της ταχύτητας συναρτήσει του

βαθμού μετατροπής.

4. Με τη βοήθεια της σχεδιαστικής εξίσωσης για αντιδραστήρα PFR

υπολογίζεται η ποσότητα καταλύτη για κάθε αντιδραστήρα:



dW(-rco)=-dFCO (5.4)

5. Η παραπάνω σχεδιαστική εξίσωση ολοκληρώνεται, ενώ το ολοκλήρωμα

της ταχύτητας υπολογίζεται με τον κανόνα του Simpson[34]:

0

x

COco

dxW F

r (5.5)

6. Υπολογίζεται η απαιτούμενη μάζα καταλύτη τόσο για τον πρώτο όσο και για

το δεύτερο αντιδραστήρα. Έτσι έχουμε mFe2O3=16200 kg, mZnO=62500 kg, ενώ

από την παρακάτω σχέση υπολογίζεται ο όγκος του καταλύτη για τον κάθε

αντιδραστήρα:

mκατ.= ρ.V (5.6)

όπου,

ρ: πυκνότητα καταλύτη, kg/m3

7. Τέλος, από το πορώδες (που επιλέγεται ίσο με 0,5), υπολογίζεται ο όγκος

του αντιδραστήρα σύμφωνα με την παρακάτω σχέση:

1 /ύ ήV V (5.7)

8. Ο υπολογισμός της πτώσης πίεσης γίνεται με τη βοήθεια της παρακάτω

σχέσης:

22

3 2 3

1,75 1 1500 1/

s p

pU Uz

D D

(5.8)

όπου,

ΔΡ/Δz: πτώση πίεσης ανά μονάδα μήκους, Pa/m

U: φαινόμενη ταχύτητα του αντιδρώντος μίγματος μέσα στους αυλούς

ρ: πυκνότητα αντιδρώντος μίγματος

Ds: Ισοδύναμη διάμετρος καταλυτικού δακτυλιδιού, m

μ: ιξώδες αντιδρώντος μίγματος, Pa s



9. Μετά από βελτιστοποίηση και εφόσον τηρείται ο περιορισμός 3<L/D<5,

επιλέγεται μήκος και διάμετρος αυλών για τους δύο αντιδραστήρες σύμφωνα

με τα διαγράμματα 5.1 και 5.2.

10. Για διάφορες τιμές διαμέτρων υπολογίζεται η επιφάνεια διατομής. Στη

συνέχεια από τον τύπο του όγκου υπολογίζεται το μήκος του αντιδραστήρα,

ενώ στο τέλος το κόστος συναρτήσει της διαμέτρου. Το κόστος δίνεται από

τον παρακάτω τύπο[38] και διορθώνεται για κάθε έτος σύμφωνα με τους

δείκτες του περιοδικού Chemical Engineering.

C=FmCb+Ca, (5.9)

Cb=exp[9,1-0,2889(lnW)+0,04576(lnW)2] (5.10)

Ca=246D0,7396L0,7068 (5.11)

11. Το βάρος υπολογίζεται σύμφωνα με την πιο κάτω σχέση[38]:

212m

s s H hW A t A t

(5.12)

όπου,

W: βάρος, Ibm

ρm: πυκνότητα μετάλλου, pm = 4901bm/ft3

As: επιφάνεια κελύφους, ft2

Ah: επιφάνεια κεφαλής, ft2

Οι επιφάνειες υπολογίζονται ώς εξής:

sA D L (5.13)

2

4h

DA (5.14)

όπου,

D: διάμετρος δοχείου, ft

L: ύψος δοχείου, ft



12. Υπολογίζεται το πάχος των τοιχωμάτων για το κέλυφος αλλά και για τα

καπάκια ως εξής:

0,6s cor

P Rt C

S E P

(5.15)

2 0, 2h cor

P Rt C

S E P

(5.16)

όπου,

ts: πάχος τοιχωμάτων στο κέλυφος, in

th: πάχος τοιχωμάτων στην κεφαλή, in

Ρ: πίεση σχεδιασμού, psi (η οποία λαμβάνεται ίση με Ρ = Pλειτ + 50 psi).

R: ακτίνα δοχείου, in

Ε: αποτελεσματικότητα των συγκολλήσεων (joint efficiency), E = 0,9 για CS

S: μέγιστη επιτρεπόμενη τάση σε εφελκυσμό στο κράμα κατασκευής, S =

13700 psi

Για CS

Πίνακας 5.1: Τιμές διαστάσεων αντιδραστήρα HTS

D(ft) A(ft2) L(ft) CHTS($)

5 19.625 29.1465 86909.19

6 28.26 20.24062 89632.19

7 38.465 14.87066 94580.71

8 50.24 11.38535 101707.9

9 63.585 8.995832 111028.2

10 78.5 7.286624 122587

11 94.985 6.022003 136451.3

12 113.04 5.060156 152706.5

13 132.665 4.311612 171455.3

14 153.86 3.717665 192816.1

15 176.625 3.2385 216922.2



Διάγραμμα 5.1: Κόστος αντιδραστήρα HTS συναρτήσει της διαμέτρου

Από τη γραφική παράσταση διαπιστώνεται ότι για διάμετρο μέχρι D=6 ft το

κόστος του αντιδραστήρα αυξάνεται σταδιακά, ενώ μετά από αυτήν την τιμή

αυξάνεται απότομα. Έτσι επιλέγεται συνήθως σαν διάμετρος του

αντιδραστήρα HTS η τιμή D=6 ft. Η ίδια διαδικασία ακολουθείται και για τον

αντιδραστήρα LTS:

Πίνακας 5.2: Τιμές διαστάσεων αντιδραστήρα LTS

D(ft) A(ft2) L(ft) CLTS($)

5 19.625 90.95541 160259.2

6 28.26 63.16348 158681.1

7 38.465 46.40582 159732.2

8 50.24 35.52946 163100.1

9 63.585 28.07266 168668.4

10 78.5 22.73885 176415.5

11 94.985 18.79244 186368.3

12 113.04 15.79087 198581.3

13 132.665 13.45494 213126.7

14 153.86 11.60146 230089.4

15 176.625 10.10616 249565.1



Διάγραμμα 5.2: Κόστος αντιδραστήρα LTS συναρτήσει της διαμέτρου

Ομοίως, για τον αντιδραστήρα LTS προκύπτει από την παραπάνω γραφική

παράσταση ότι για D=8 ft το κόστος του ελαχιστοποιείται .Έτσι συνήθως

επιλέγεται διάμετρος αντιδραστήρα ίση με D=8 ft.

5.3 Υπολογισμός Κόστους καταλυτών

Στο κόστος του αντιδραστήρα πρέπει να συνυπολογιστεί και το κόστος του

καταλύτη. Ο καταλύτης θεωρείται ότι έχει διάρκεια ζωής ίση με αυτή του

αντιδραστήρα (10 έτη). Η απαιτούμενη ποσότητα καταλύτη έχει υπολογιστεί

παραπάνω και το κόστος δίνεται από την παρακάτω σχέση:

. .C V a (5.17)

όπου,

α: τιμή καταλύτη ανά μονάδα όγκου, $/ft3

V: όγκος καταλύτη, ft3



ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6ο :ΣΤΗΛΗ ΑΠΟΡΟΦΗΣΗΣ

6.1 Γενικά

Η απορρόφηση αερίων είναι μια μέθοδος διαχωρισμού ενός μίγματος αερίων,

κατά την οποία όταν το τελευταίο έρχεται σε επαφή με ένα υγρό, διαλύονται

εκλεκτικά ένα ή περισσότερα συστατικά του.

Μια συνηθισμένη διάταξη που χρησιμοποιείται για την απορρόφηση αερίων

είναι ο πύργος με πληρωτικό υλικό. Η διάταξη αυτή περιλαμβάνει μια

κυλινδρική στήλη ή πύργο με μια είσοδο αερίου και χώρο κατανομής στον

πυθμένα, μια είσοδο υγρού και έναν κατανομέα στην κορυφή, εξόδους αερίου

και υγρού στην κορυφή και στον πυθμένα αντίστοιχα, καθώς και μια μάζα

από αδρανή στερεά σωματίδια που ονομάζεται πληρωτικό υλικό. Το

στήριγμα του πληρωτικού υλικού είναι συνήθως ένα πλέγμα (αυλακωτό, ώστε

να έχει μεγαλύτερη αντοχή) με μια ανοιχτή επιφάνεια, ώστε να μη συμβαίνει

πλημμύριση σε αυτό. Το υγρό που εισέρχεται, το οποίο μπορεί να είναι

καθαρός διαλυτής ή ένα αραιό διάλυμα της διαλυμένης ουσίας στο διαλυτή και

ονομάζεται ασθενές υγρό, κατανέμεται στην κορυφή του πληρωτικού υλικού.

Το αέριο που περιέχει τη διαλυμένη ουσία (πλούσιο αέριο), εισέρχεται στο

χώρο κατανομής κάτω από το πληρωτικό υλικό και ρέει προς τα πάνω μέσα

από το πληρωτικό υλικό και κατ' αντιρροή προς το υγρό. Το πληρωτικό υλικό

παρέχει μια μεγάλη επιφάνεια επαφής ανάμεσα στο υγρό και το αέριο και

εξασφαλίζει στενή επαφή ανάμεσα στις φάσεις. Η διαλυμένη ουσία στο

πλούσιο αέριο απορροφάται από το καινούριο υγρό που εισέρχεται στον

πύργο, ενώ το αραιό αέριο εξέρχεται από την κορυφή του πύργου. Το υγρό

εμπλουτίζεται σε διαλυμένη ουσία καθώς κατέρχεται και το συμπυκνωμένο

υγρό, που ονομάζεται ισχυρό υγρό, απομακρύνεται από την έξοδο στον

πυθμένα του πύργου.

Υπάρχουν τρία είδη πληρωτικών υλικών:

α) αυτά που ρίχνονται με τυχαίο τρόπο μέσα στον πύργο,

β) αυτά που πρέπει να τοποθετηθούν με το χέρι και

γ) τα διατεταγμένα (ή δομημένα ή ταξινομημένα) πληρωτικά υλικά.



Το πρώτο είδος περιλαμβάνει σωματίδια των οποίων η μεγαλύτερη διάσταση

είναι 6 -75 mm (1/4 - 3in), ενώ τα πληρωτικά υλικά που είναι μικρότερα από

25 mm χρησιμοποιούνται κυρίως σε εργαστηριακές στήλες ή σε στήλες

πιλοτικών μονάδων. Τα πληρωτικά υλικά που πρέπει να τοποθετηθούν με το

χέρι έχουν μέγεθος 50 - 200 mm (2 - 8 in). Χρησιμοποιούνται λιγότερο συχνά

από ότι τα τυχαία τοποθετημένα πληρωτικά υλικά.

Τα τυχαία τοποθετημένα είναι κατασκευασμένα από φθηνά, αδρανή υλικά,

όπως ο πηλός, η πορσελάνη ή διάφορα πλαστικά. Μερικές φορές

χρησιμοποιούνται μεταλλικοί δακτύλιοι από χάλυβα ή αλουμίνιο με λεπτά

τοιχώματα. Κατασκευάζοντας τις μονάδες του πληρωτικού υλικού έτσι ώστε

να έχουν ανώμαλο σχήμα ή να έχουν εσωτερικά μεγάλο κενό χώρο,

επιτυγχάνονται μεγάλα κλάσματα κενού και μεγάλοι διάδρομοι υγρού, επειδή

οι μονάδες μπορούν να τοποθετηθούν η μια μέσα στην άλλη και να

δημιουργήσουν κατασκευές με πορώδες ή κλάσμα κενού 60-90%. Γενικά,

κάθε τύπος πληρωτικού υλικού χαρακτηρίζεται από την ειδική επιφάνεια του,

το πορώδες, το βάρος του ανά μονάδα όγκου κλίνης και φυσικά από τις

διαστάσεις των σωματιδίων του[31].

Ο σχεδιασμός ενός πύργου με πληρωτικό υλικό απαιτεί τη μελέτη των

μηχανικών παραγόντων, όπως πτώση πίεσης, δυναμικότητες της ροής και

φορτίο των θεμελίων. Επιπλέον, πρέπει να δοθεί προσοχή στους παράγοντες

που επηρεάζουν την αποτελεσματικότητα της επαφής ανάμεσα στις φάσεις

των ρευστών. Το κατάλληλο πληρωτικό υλικό θα πρέπει να έχει τα παρακάτω

χαρακτηριστικά:

Χαμηλή πτώση πίεσης: επειδή η πτώση πίεσης στο πληρωτικό υλικό είναι

άμεση συνάρτηση των ταχυτήτων των ρευστών, θα πρέπει να υπάρχει μια

μεγάλη ελεύθερη επιφάνεια διατομής ανάμεσα στα σωματίδια του

πληρωτικού υλικού, ώστε να προκύψει χαμηλή πτώση πίεσης.

Μεγάλη δυναμικότητα: το πληρωτικό υλικό πρέπει να επιτρέπει τη

χρησιμοποίηση υψηλών ρυθμών ροής ρευστών χωρίς υπερβολική πτώση

πίεσης ή συσσώρευση του υγρού στον πύργο. Αν οι ταχύτητες των

ρευστών υπερβούν κάποια οριακή τιμή μπορεί να συμβεί πλημμύριση ή



μεταφορά του υγρού έξω από τον πύργο. Για το λόγο αυτό όταν η

δυναμικότητα είναι μεγάλη θα πρέπει να είναι μεγάλη η ελεύθερη

επιφάνεια διατομής.

Μικρό βάρος και μικρή κατακράτηση υγρού: το συνολικό βάρος της στήλης

και το προκύπτον φορτίο της θεμελίωσης είναι χαμηλό, αν το βάρος του

πληρωτικού υλικού και του κατακρατημένου υγρού στον πύργο είναι μικρό.

Ωστόσο το ποσό του κατακρατημένου υγρού πρέπει να είναι αρκετά

μεγάλο, για να υπάρξει μια αποτελεσματική κινητήρια δύναμη για τη

μεταφορά της μάζας.

Μεγάλη ενεργή επιφάνεια ανά μονάδα όγκου: για να επιτευχθούν υψηλές

αποδόσεις το πληρωτικό υλικό πρέπει να παρέχει μια μεγάλη επιφάνεια

επαφής ανάμεσα στις δυο φάσεις ρευστών. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί

χρησιμοποιώντας πληρωτικο υλικό με ακανόνιστο σχήμα, το οποίο θα

επιτρέψει την εκτεταμένη κατανομή του υγρού πάνω στην επιφάνεια, για

να διευκολυνθεί η άμεση επαφή με το δεύτερο ρευστό.

Μεγάλος ελεύθερος όγκος ανά μονάδα ολικού όγκου: αυτό είναι ιδιαίτερα

σημαντικό, αν πρέπει να υπάρχει αρκετός διαθέσιμος χρόνος για μια

χημική αντίδραση στην αέρια φάση.

Τέλος, υψηλή αντοχή, μεγάλη αντίσταση στη διάβρωση, χαμηλή πλευρική

πίεση στα τοιχώματα του πύργου και χαμηλό κόστος.

Για τον σχεδιασμό του πύργου επιλέγεται ο πιο απλός και συνήθης τύπος

πληρωτικού υλικού που είναι τα κεραμικά σάγματα Intalox. To συγκεκριμένο

μπορεί να μορφοποιηθεί σε διάφορα καλούπια. Η διάταξη αυτού του είδους

πληρωτικού υλικού είναι τέτοια ώστε τα σωματίδια να αλληλεπικαλύπτονται,

με αποτέλεσμα μικρότερη πλευρική πίεση και μεγαλύτερη ενεργή επιφάνεια

ανα μονάδα όγκου από τους δακτυλίους Rasching.

Όταν οι ποσότητες υγρής ή αέριας φάσης είναι μεγάλες, υπάρχει μεγάλος

κίνδυνος να εμφανιστεί το φαινόμενο της πλημμύρισης. Κατά το φαινόμενο

αυτό, το ανερχόμενο αέριο εμποδίζει το υγρό να κατέλθει, με αποτέλεσμα την

αύξηση της πτώσης πίεσης και τη μη σωστή λειτουργία της στήλης. Στην

περίπτωση αυτή ο πύργος απορρόφησης λειτουργεί κατά ομορροή, παρόλο

που η κατά αντιρροή λειτουργία είναι πιο αποτελεσματική. Η πιθανότητα



εμφάνισης του φαινομένου πλημμύρισης, μειώνεται με μείωση της ταχύτητας

του αερίου ρεύματος ή με μείωση του ρυθμού ροής της υγρής φάσης.

Η απόδοση συλλογής στερεών σωματιδίων σε ένα πύργο απορρόφησης είναι

σχετικά περιορισμένη. Οφείλεται σε σύγκρουση των στερεών σωματιδίων του

αερίου ρεύματος με το υγρό. Όσο μεγαλύτερη είναι η ταχύτητα των απαερίων

διαμέσου της στήλης, τόσο μεγαλύτερη είναι και η ικανότητα συλλογής

σωματιδίων μικρότερων διαστάσεων. Η απόδοση, ωστόσο, της

απομάκρυνσης του αέριου ρύπου λόγω απορρόφησης είναι μεγάλη και

ευνοείται από την μεγάλη επιφάνεια επαφής, την καλή ανάμιξη και τον μεγάλο

χρόνο επαφής των δύο ρευστών. Τα βασικά χαρακτηριστικά λειτουργίας και

κατασκευής ενός πύργου απορρόφησης είναι:

Η ταχύτητα ροής του αερίου ρεύματος: η τιμή της ταχύτητας αυτής θα

πρέπει να είναι αρκετά μεγάλη, ώστε να πετυχαίνεται ικανοποιητική

ανάμιξη μεταξύ των δύο φάσεων, αλλά τέτοια ώστε να μην προκαλείται

το φαινόμενο της πλημμύρισης.

Ο ρυθμός ροής του υγρού έκπλυσης: η απόδοση του πύργου

απορρόφησης αυξάνει με αύξηση του ρυθμού ροής της υγρής φάσης.

Ωστόσο, με αύξηση αυτού αυξάνει και το λειτουργικό κόστος της

μονάδας.

Το μέγεθος του πληρωτικού υλικού: πρέπει να είναι αρκετά μικρό ώστε

να προσφέρει μεγάλη επιφάνεια επαφής μεταξύ των δύο φάσεων,

χωρίς ωστόσο να προκαλεί μεγάλη πτώση πίεσης στην στήλη.

Το ύψος της στήλης: με αύξηση του ύψους της στήλης αυξάνει η ολική

επιφάνεια και ο χρόνος παραμονής των ρευστών στην στήλη, αυξάνει

ωστόσο και το κόστος κατασκευής[33].

6.2 Σχεδιασμός στήλης απορρόφησης

Τα απαέρια από τον διαχωριστή οδηγούνται στη στήλη απορρόφησης. Η

σύσταση τους αποτελείται από διοξείδιο του άνθρακα, μεθάνιο, υδρογόνο και

άζωτο. Σαν υγρό έκπλυσης χρησιμοποιείται υδατικό διάλυμα

μονοαιθανολαμίνης (12.5% κ.β.). Η γραμμομοριακή συγκέντρωση του

διοξειδίου του άνθρακα στο αέριο μίγμα που εισάγεται στην στήλη



απορρόφησης είναι γνωστή. Θεωρείται ότι η απορρόφηση είναι φυσική και η

απόδοση της είναι 99,99%, οπότε στην έξοδο έχουμε το υδατικό διάλυμα με

σχεδόν όλη την αρχική συγκέντρωση του διοξειδίου του άνθρακα. Θεωρούνται

ακόμα οι ακόλουθες παραδοχές:

Η συγκέντρωση του μεταφερόμενου συστατικού σε σχέση με το

αδρανές είναι μικρή οπότε το μίγμα μπορεί να θεωρηθεί αραιό. Αυτό

σημαίνει ότι οι συνολικές γραμμομοριακές ροές αερίου και υγρού

μπορούν να θεωρηθούν σταθερές σ'όλο το ύψος της στήλης.

Η μέση πίεση του αδρανούς αεριού (διοξείδιο του άνθρακα) είναι

σταθερή και ίση με την ολική πίεση του συστήματος.

Οι συντελεστές μεταφοράς μάζας είναι σταθεροί σ'ολο το ύψος της

στήλης.

Οι μεταβολές ενθαλπίας μπορούν να θεωρηθούν αμελητέες (ισόθερμη

λειτουργία).

Ο ολικός αριθμός μονάδων μεταφοράς ως προς την αέρια φάση ορίζεται από

την παρακάτω σχέση και αντιπροσωπεύει ουσιαστικά το καθήκον του

πύργου:

/ *OGN dy y y (6.1)

όπου,

NOG: Ο ολικός αριθμός μονάδων μεταφοράς

y: το γραμμομοριακό κλάσμα του διοξειδίου του άνθρακα στην αέρια φάση

y*: το γραμμομοριακό κλάσμα του διοξειδίου του άνθρακα στην αέρια φάση

στην ισορροπίαΜε βιβλιογραφικά δεδομένα[29], μπορεί να βρεθεί η γραμμή

ισορροπίας ανάμεσα στην υγρή και αέρια φάση του διοξειδίου του άνθρακα με

δεδομένη την γραμμομοριακή ροή της αέριας φάσης που προκύπτει από την

ογκομετρική παροχή και την σύσταση της, η ελάχιστη τιμή της

γραμμομοριακής ροής του υγρού έκπλυσης υπολογίζεται με βάση τον

ελάχιστο λόγο ροής του υγρού προς το αέριο, ο οποίος δίνεται από την

σχέση:

min/ / *B T B TL G y y x x (6.2)



οπου,

(L/G)min: ο ελάχιστος λόγος ροής υγρού / αερίου

L: η ελάχιστη γραμμομοριακή ροή του υγρού έκπλυσης, kmole/hm2

G: η γραμμομοριακή ροή της αέριας φάσης, kmole/hm2

yΒ: το γραμμομοριακό κλάσμα του διοξειδίου του άνθρακα στην αέρια φάση

κατά την είσοδο στη στήλη απορρόφησης

yΤ: το γραμμομοριακό κλάσμα του διοξειδίου του άνθρακα στην αέρια φάση

κατά την έξοδο στη στήλη απορρόφησης

ΧΒ*: το γραμμομοριακό κλάσμα του διοξειδίου του άνθρακα στην υγρή φάση

στην ισορροπία

XT: τo γραμμομοριακό κλάσμα του διοξειδίου του άνθρακα στην υγρή φάση

κατά την είσοδο στη στήλη απορρόφησης

Για τον υπολογισμό της κατάλληλης ταχύτητας ροής της αέριας φάσης

διαμέσου της στήλης, υπολογίζεται η ταχύτητα πλημμύρισης από την


0,2 1/ 4 1/82

3exp 4G m GF L

L W m L

P L PU a n

g P n G P

(6.3)

όπου,

UF: η ταχύτητα πλημμύρισης, m/s

g: η επιτάχυνση της βαρύτητας, m/s2

ε: το πορώδες της κλίνης

α: η ειδική επιφάνεια πληρωτικού υλικού, m-1

pG: η πυκνότητα της αέριας φάσης, kg/m3

pL: η πυκνότητα του υγρού έκπλυσης, kg/m3

nL: το ιξώδες του υγρού έκπλυσης, kg/ms

nw: το ιξώδες του νερού, kg/ms

Lm,: η μαζική ροή του υγρού έκπλυσης, kg/h

Gm: η μαζική ροή της αέριας φάσης, kg/h



Σαν ταχύτητα πλημμύρισης ορίζεται η επιφανειακή ταχύτητα της αέριας φάσης

στο σημείο πλημμύρισης, δηλαδή η ταχύτητα που θα είχε το αέριο αν η στήλη

ήταν κενή στο σημείο πλημμύρισης. Η επιφανειακή ταχύτητα λειτουργίας της

στήλης που προτείνεται βιβλιογραφικά εκφράζεται σαν ποσοστό της

ταχύτητας πλημμύρισης:

0,6UF <U<0,7UF (6.4)

όπου, U: η επιφανειακή ταχύτητα του αερίου, m/s

Η διάμετρος της στήλης υπολογίζεται με την βοήθεια της επιφανειακής

ταχύτητας του αερίου από την σχέση που ακολουθεί:

4 m

G

GD

U (6.5)

όπου,

D: η διάμετρος της στήλης, m

U: η επιφανειακή ταχύτητα του αερίου, m/s

Gm: η μαζική ροή του υγρού έκπλυσης, kg/s


Το απαιτούμενο ύψος της κλίνης του πληρωτικού υλικού δίνεται από το

γινόμενο των ολικών μονάδων μεταφοράς επί το ύψος μιας μονάδας

μεταφοράς:

OG OGZ H N (6.6)

όπου,

NOG: Ο ολικός αριθμός μονάδων μεταφοράς

HOG: το ύψος μιας μονάδας μεταφοράς, m



Ο υπολογισμός του ύψους μίας μονάδας μεταφοράς είναι καθαρά εμπειρικός.

Εξαρτάται ισχυρά από το ιξώδες της υγρής φάσης και την δυσκολία

διαχωρισμού (αυξάνει με την αύξηση και των δύο). Υπολογίζεται από τον

παρακάτω τύπο:

/OG OGH G K a (6.7)

όπου,

G: η ροή της αέριας φάσης, lbmol/(hr)(ft2)

KOG*a: ο ολικός συντελεστής μεταφοράς μάζας για την αέρια φάση,

lbmol/(hr)(atm)(ft2) και υπολογίζεται από την παρακάτω σχέση:

2

0,0067 3,43/ 1 5,7 T POG OK a F L C C M e (6.8)

όπου,

F: συντελεστής που έχει σχέση με το είδος του πληρωτικού υλικού, (0,4*10-3 )

μ: το ιξώδες του υδατικού διαλύματος, cp

L: η ροή του υγρού έκπλυσης, lb/(hr)(ft2)

Co: η συγκέντρωση του διοξειδίου του άνθρακα στο διάλυμα στην ισορροπία

(mol CO2 / mol MEA)

C: η συγκέντρωση του διοξειδίου του άνθρακα στο διάλυμα (mol CO2 / mol

MEA)

Μ: η συγκέντρωση της ΜΕΑ στο διάλυμα, (molarity, gmol / lt)

Τ: η θερμοκρασία στην οποία πραγματοποιείται η απορρόφηση, 0F

Ρ: η μερική πίεση του διοξειδίου του άνθρακα, atm

Τέλος, το ολικό ύψος της στήλης απορρόφησης υπολογίζεται από την

παρακάτω σχέση [1]:

Η=1,3•Ζ (6.9)

Η πτώση πίεσης του αέριου ρεύματος στον πύργο απορρόφηση πρακτικά

είναι δύσκολο να υπολογιστεί. Βιβλιογραφικά όμως έχει βρεθεί ότι για κάθε

μέτρο πληρωτικού υλικού η πτώση πίεσης αντιστοιχεί σε 0,55 Kpa.

Στη στήλη απορρόφησης χρησιμοποιείται σαν υγρό έκπλυσης υδατικό

διάλυμα μονοαιθανολαμίνης, γιατί η συγκεκριμένη αμίνη είναι σχετικά φθηνή,

έχει υψηλή ενεργότητα και μεγάλη σταθερότητα. Το μειονέκτημα της είναι ότι



έχει υψηλή τάση ατμών και ότι αντιδρά με COS που είναι συχνό συστατικό σε

αέρια μίγματα. Προτιμάται η μικρή περιεκτικότητα της στο υδατικό διάλυμα,

γιατί αφενός, βιβλιογραφικά, υπάρχουν τιμές για την ισορροπία μεταξύ των

δυο φάσεων και αφετέρου, μικρότερη ποσότητα συνεπάγεται μικρότερο

κόστος για τη συγκεκριμένη στήλη απορρόφησης[29].

Επιπλέον, το υλικό για την κατασκευή της στήλης είναι S.S.304, κράμα

σιδήρου υψηλής περιεκτικότητας σε χρώμιο και νικέλιο, το οποίο είναι

συμβατό τόσο με το CO2 όσο και με τη ΜΕΑ. Χαρακτηρίζεται για την υψηλή

αντοχή του στη διάβρωση και στις υψηλές θερμοκρασίες.

6.3 Επιλογή κατάλληλου λόγου επαναρροής

Κατά το σχεδιασμό της στήλης απορρόφηση καθορίζονται από το περιβάλλον

οι εξής μεταβλητές:

Η παροχή της τροφοδοσίας η οποία καθορίζεται ανάλογα με τη

δυναμικότητα της μονάδας κι υπολογίζεται κατόπιν ισοζυγίων μάζας.

Η σύσταση της τροφοδοσίας είναι γνωστή εκ των προτέρων.

Η ενθαλπία της τροφοδοσίας καθορίζεται από τη σύσταση της

τροφοδοσίας της στήλης και τη θερμοκρασία της. Η θερμοκρασία της

τροφοδοσίας καθορίζεται με βάση την πίεση της τροφοδοσίας, ως

θερμοκρασία κορεσμένου υγρού.

Η σύσταση του υγρού έκπλυσης και της αέριας φάσης καθορίζονται

από τις προδιαγραφές του προϊόντος και τα ισοζύγια μάζας που

γίνονται στα επιμέρους τμήματα.

Η πίεση της στήλης υπολογίζεται με βάση την πίεση του μίγματος και

επηρεάζει το σχεδιασμό των στηλών απορρόφησης.

Σύμφωνα με την παραπάνω ανάλυση, παραμένει ως σχεδιαστική μεταβλητή ο

λόγος επαναρροής (r). Με τη μεταβολή του τελευταίου υπολογίζονται οι

καλύτερες διαστάσεις (ύψος και διάμετρος της στήλης απορρόφησης) και

αυτό γιατί καθώς αυξάνεται ο λόγος επαναρροής μειώνεται το ύψος της

στήλης και αυξάνεται η διάμετρος. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στο

παρακάτω διάγραμμα. Η ετήσια δαπάνη, όσον αφορά τη στήλη απορρόφησης

της μονάδας, συνίσταται από την απόσβεση του κόστους αγοράς και



εγκατάστασης της, καθώς και του κόστους λειτουργίας της. Η ετήσια

επιβάρυνση της μονάδας μελετάται με βάση μόνο το πάγιο κόστος, γιατί σαν

κόστος λειτουργίας της θεωρείται το κόστος του διαλύτη (το οποίο

υπολογίζεται από τις απώλειες του που θα υπήρχαν), αλλά στο συγκεκριμένο

σχεδιασμό έχει θεωρηθεί ότι το μίγμα είναι αραιό (πράγμα που σημαίνει ότι οι

ροές είναι σταθερές οπότε δεν υπάρχουν απώλειες). Επιπλέον, στο

παραπάνω κόστος συμπεριλαμβάνονται τα κόστη της αντλίας και του

εναλλάκτη που χρησιμοποιούνται στο σύστημα απορρόφησης - εκρόφησης,

αλλά στη συγκεκριμένη μελέτη δεν λαμβάνονται υπόψη, γιατί οι ροές είναι

αρκετά μεγάλες με αποτέλεσμα τα προαναφερόμενα κόστη να είναι αρκετά

υψηλά για να γίνει κατάλληλα η βελτιστοποίηση.

Για τον υπολογισμό της απόσβεσης της πάγιας επένδυσης για την αγορά και

την εγκατάσταση της στήλης απορρόφησης θεωρείται οικονομικός χρόνος

ζωής της μονάδας τα 10 έτη, καθώς και ότι ακολουθείται γραμμική απόσβεση.

Συνεπώς, ο συντελεστής απόσβεσης e θεωρείται ίσος με 0,1.

Διαγραμμα 6.1: Ετήσιο κόστος στήλης απορρόφησης συναρτήσει λόγου

επαναρροής

6.4 Κοστολόγηση στήλης απορρόφησης

Το κόστος της στήλης απορρόφησης συνίσταται από το άθροισμα του

κόστους του κενού πύργου απορρόφησης και του πληρωτικού υλικού. Το



βασικό κόστος του κενού πύργου ανά μονάδα ύψους λαμβάνεται από

κατάλληλα λογαριθμικά διαγράμματα συναρτήσει της διαμέτρου.

Το συνολικό κόστος αγοράς και εγκατάστασης προκύπτει πολλαπλασιάζοντας

το κόστος αγοράς με το συντελεστή εγκατάστασης.

Το βασικό κόστος του πληρωτικού υλικού ανά μονάδα όγκου της στήλης

προκύπτει από κατάλληλα διαγράμματα συναρτήσει του μεγέθους του[23].



ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7ο :ΣΤΗΛΗ ΕΚΡΟΦΗΣΗΣ

7.1 Γενικά

Οι στήλες εκρόφησης είναι συσκευές, όπου πραγματοποιείται απομάκρυνση

ενός ή περισσότερων αερίων συστατικών από ένα διάλυμα, με τη διαβίβαση

ενός αεριού ή ατμού. Για να γίνουν πιο ευνοϊκές οι συνθήκες της εκρόφησης,

μπορεί να αυξηθεί η θερμοκρασία, να μειωθεί η ολική πίεση ή και τα δυο. Αν η

απορρόφηση πραγματοποιηθεί κάτω από υψηλή πίεση, μπορεί μερικές φορές

να ανακτηθεί ένα μεγάλο μέρος των αερίων συστατικών με απλή εκτόνωση σε

ατμοσφαιρική πίεση. Όμως για να απομακρυνθούν σχεδόν πλήρως τα αέρια

συστατικά χρειάζονται πολλές βαθμίδες και η εκρόφηση πραγματοποιείται σε

μια στήλη με αντιρροή υγρού και αερίου. Ως μέσο απογύμνωσης μπορεί να

χρησιμοποιηθεί αδρανές αέριο ή υδρατμός. Για ευκολότερη ανάκτηση

χρησιμοποιείται υδρατμός, ο οποίος μπορεί να συμπυκνωθεί[31].

Η αρχή πάνω στην οποία βασίζεται η λειτουργία της στήλη εκρόφησης είναι η

μεταφορά μάζας των συστατικών από την υγρή προς μια αέρια φάση, η οποία

διοχετεύεται μέσα στη μάζα της υγρής. Οι δυο αυτές φάσεις έρχονται σε

επαφή μεταξύ τους με το κατάλληλο πληρωτικό υλικό, ώστε να επιτυγχάνεται

ο επιθυμητός βαθμός διαχωρισμού. Ο λόγος που επιλέγεται στήλη εκρόφησης

με πληρωτικό υλικό είναι ότι η κατακράτηση του υγρού είναι αρκετά χαμηλή,

πράγμα που δεν επιτυγχάνεται στις στήλες με δίσκους.

7.2 Σχεδιασμός στήλης εκρόφησης

Η διεργασία που μελετάται είναι η εκρόφηση του διοξειδίου άνθρακα από το

υγρό μίγμα με το οποίο τροφοδοτείται η στήλη εκροφησης. Στον πυθμένα της

στήλης τελικά ανακτάται μόνο το υδατικό διάλυμα της ΜΕΑ, το οποίο

επιστρέφει στη στήλη απορρόφησης όπου παίζει το ρόλο του διαλύτη.

Στον πυθμένα της στήλης υπάρχει ένα βοηθητικό ρεύμα παροχής ατμού, με

τη βοήθεια του οποίου ολοκληρώνεται η εκρόφηση.

Το επόμενο βήμα είναι ο υπολογισμός των λειτουργικών συνθηκών της

στήλης, δηλαδή ο καθορισμός της πίεσης και της θερμοκρασίας της.

Η πίεση λειτουργίας της στήλης έχει βρεθεί βιβλιογραφικά ίση με 1 - 2 atm και

η θερμοκρασία με 110 °C[18]. Η εκρόφηση θεωρείται ότι είναι φυσική και η



απόδοση της είναι 100%. Επιπλέον, λόγω του ότι η εκρόφηση είναι η

αντίστροφη διεργασία της απορρόφησης, ισχύουν οι ίδιες παραδοχές.

Ο ολικός αριθμός μονάδων μεταφοράς ως προς την υγρή φάση ορίζεται από

την παρακάτω σχέση και αντιπροσωπεύει ουσιαστικά το καθήκον της στήλης:

/ *OLN dy y y (7.1)

όπου,

ΝOL: ο ολικός αριθμός μονάδων μεταφοράς

y: το γραμμομοριακό κλάσμα του διοξειδίου του άνθρακα στην αέρια φάση

y*: το γραμμομοριακό κλάσμα του διοξειδίου του άνθρακα στην αέρια φάση


Με βάση βιβλιογραφικά δεδομένα[29], μπορεί να βρεθεί η γραμμή ισορροπίας

ανάμεσα στις δυο φάσεις. Με δεδομένη την γραμμομοριακή ροή της αέριας

φάσης που προκύπτει από την ογκομετρική παροχή και την σύσταση της, η

ελάχιστη τιμή της γραμμομοριακής ροής της υγρής φάσης υπολογίζεται με

βάση τον ελάχιστο λόγο ροής του υγρού προς το αέριο, ο οποίος δίνεται από

την σχέση:

min/ / *B T B TL G y y x x (7.2)

όπου,

(L/G)min: ο ελάχιστος λόγος ροής υγρού / αερίου

L: η ελάχιστη γραμμομοριακή ροή του υγρού έκπλυσης, kmole/hm2

G: η γραμμομοριακή ροή της αέριας φάσης, kmole/hm2

yB: το γραμμομοριακό κλάσμα του διοξειδίου του άνθρακα στην αέρια φάση

κατά την είσοδο στη στήλη εκρόφησης

yT: το γραμμομοριακό κλάσμα του διοξειδίου του άνθρακα στην αέρια φάση

κατά την έξοδο στη στήλη εκρόφησης

xΒ*: το γραμμομοριακό κλάσμα του διοξειδίου του άνθρακα στην υγρή φάση


xΤ:. το γραμμομοριακό κλάσμα του διοξειδίου του άνθρακα στην υγρή φάση

κατά την είσοδο στη στήλη εκρόφησης



Για τον υπολογισμό της κατάλληλης ταχύτητας ροής της αέριας φάσης

διαμέσου της στήλης, υπολογίζεται η ταχύτητα πλημμύρισης από την


0,2 1/ 4 1/82

3exp 4G m GF L

L w m L

p L pU a n

g p n G p

(7.3)

όπου,

UF: η ταχύτητα πλημμύρισης, m/s

g: η επιτάχυνση της βαρύτητας, m/s2

ε: το πορώδες της κλίνης

α: η ειδική επιφάνεια πληρωτικού υλικού, m-1


pL: η πυκνότητα της υγρής φάσης, kg/m3

nL: το ιξώδες της υγρής φάσης, kg/ms

nw: το ιξώδες του νερού, kg/ms

Lm: η μαζική ροή της υγρής φάσης, kg/h

Gm: η μαζική ροή της αέριας φάσης, kg/h

Σαν ταχύτητα πλημμύρισης ορίζεται η επιφανειακή ταχύτητα της αέριας φάσης

στο σημείο πλημμύρισης, δηλαδή η ταχύτητα που θα είχε το αέριο αν η στήλη

ήταν κενή στο σημείο αυτό. Η επιφανειακή ταχύτητα λειτουργίας της στήλης

που προτείνεται βιβλιογραφικά εκφράζεται σαν ποσοστό της ταχύτητας

πλημμύρισης:

0,6 0,7F FU U U (7.4)

όπου,


Η διάμετρος της στήλης υπολογίζεται με την βοήθεια της επιφανειακής

ταχύτητας του αερίου από την σχέση που ακολουθεί:

4 m

G

GD

p U (7.5)



όπου,

D: η διάμετρος της στήλης, m


Gm: η μαζική ροή της υγρής φάσης, kg/s


Το απαιτούμενο ύψος της κλίνης του πληρωτικού υλικού δίνεται από το

γινόμενο των ολικών μονάδων μεταφοράς επί το ύψος μιας μονάδας

μεταφοράς:

OL OLZ H N (7.6)

όπου,

NOL: ο ολικός αριθμός μονάδων μεταφοράς

HOL: το ύψος μιας μονάδας μεταφοράς, m

Ο υπολογισμός του ύψους μίας μονάδας μεταφοράς είναι καθαρά εμπειρικός.

Εξαρτάται ισχυρά από το ιξώδες της υγρής φάσης και την δυσκολία

διαχωρισμού (αυξάνει με την αύξηση και των δύο). Υπολογίζεται από τον

παρακάτω τύπο:

/OL OLH G K a (7.7)

όπου,

G: η ροή της αέριας φάσης, lbmol/(hr)(ft2)

KΟLa: ο ολικός συντελεστής μεταφοράς μάζας για την υγρή φάση,

lbmol/(hr)(atm)(ft2)

Τέλος, το ολικό ύψος της στήλης εκρόφησης υπολογίζεται από την παρακάτω

σχέση:

1,3h Z (7.8)

7.3 Κοστολόγηση στήλης εκρόφησης

Το κόστος της στήλης εκρόφησης συνίσταται από το κόστος του κενού

πύργου εκρόφησης, του πληρωτικού υλικού καθώς και του ατμού που

χρησιμοποιείται. Το βασικό κόστος του κενού πύργου ανά μονάδα ύψους

λαμβάνεται από κατάλληλα λογαριθμικά διαγράμματα συναρτήσει της



διαμέτρου.Το συνολικό κόστος αγοράς και εγκατάστασης προκύπτει

πολλαπλασιάζοντας το κόστος αγοράς με το συντελεστή εγκατάστασης.

Το βασικό κόστος του πληρωτικού υλικού ανά μονάδα όγκου της στήλης

προκύπτει από κατάλληλα διαγράμματα συναρτήσει του μεγέθους του[23].



ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8ο : ΔΙΑΧΩΡΙΣΤΗΣ

8.1 Γενικά

Τα δοχεία διαχωρισμού χρησιμοποιούνται ευρέως στη χημική βιομηχανία. Η

λειτουργία τους συνίσταται στο διαχωρισμό μιγμάτων δύο ή περισσότερων

φάσεων και διακρίνονται ως εξής:

Διαχωριστές Υ/Α για μίγματα υγρού – αερίου

Διαχωριστές Υ/Υ για μίγματα μη αναμίξιμων υγρών

Διαχωριστές Υ/Υ/Α για μίγματα μη αναμίξιμων υγρών και αερίου

Η διευθέτηση των δοχείων διαχωρισμού μπορεί να είναι είτε κατακόρυφη είτε

οριζόντια. Οι διαχωριστές υγρού-αερίου είναι στη γενική περίπτωση

κατακόρυφοι. Εξαίρεση αποτελεί η περίπτωση στην οποία η ποσότητα της

υγρής φάσης είναι πολύ μεγαλύτερη από αυτήν της αέριας, οπότε

χρησιμοποιείται οριζόντιος διαχωριστής. Οι διαχωριστές υγρής – αέριας

φάσης εξυπηρετούν κυρίως δύο λειτουργίες. Η πιο σημαντική είναι ο

διαχωρισμός των δύο φάσεων ενώ παράλληλα χρησιμοποιούνται και ως

δοχεία ενδιάμεσης αποθήκευσης.

Στους διαχωριστές υγρού-αερίου συχνά χρησιμοποιούνται σταγονοσυλλέκτες

(mist eliminators, demisters) για να μειωθεί ο συμπαρασυρμός των υγρών

σταγονιδίων από την αέρια φάση. Ένα άλλο πλεονέκτημα που προσφέρουν οι

σταγονοσυλλέκτες είναι η αύξηση της ταχύτητας του αερίου και κατά συνέπεια

η μείωση της διαμέτρου και του κόστους του δοχείου[22].

Στην υπό μελέτη μονάδα χρησιμοποιείται ένας κατακόρυφος διαχωριστής

υγρού -αερίου, ο οποίος έχει ως σκοπό το διαχωρισμό των αερίων (μεθάνιο,

άζωτο, διοξείδιο του άνθρακα, υδρογόνο) από το υγρό νερό.

8.2 Σχεδιασμός Διαχωριστή

Η βασική σχεδιαστική αρχή των διαχωριστών υγρής αέριας φάσης είναι η

εξασφάλιση χαμηλής ταχύτητας ροής του μίγματος τροφοδοσίας, ώστε να

επιτευχθεί ο απαραίτητος διαχωρισμός. Η διαδικασία που ακολουθείται για το

σχεδιασμό ενός κατακόρυφου διαχωριστή σύμφωνα με τη βιβλιογραφία

περιγράφεται παρακάτω:



1. Αρχικά υπολογίζεται ο παράγοντας διαχωρισμού (liquid - vapor

separation factor) σύμφωνα με την πιο κάτω σχέση:

VLF

V L

wS

w

(8.1)

όπου,

SF: αδιάστατος παράγοντας διαχωρισμού (liquid - vapor separation factor)

wL: μαζική παροχή του υγρού, lb/s

wv: μαζική παροχή του αερίου, lb/s

ρL: πυκνότητα του υγρού, lb/ft3

ρν: πυκνότητα του αερίου, lb/ft3

2. Ακολούθως με τη βοήθεια βιβλιογραφικού διαγράμματος, υπολογίζεται

ο σχεδιαστικός παράγοντας ταχύτητας αερίου (design vapor velocity

factor)[22].

3. Η μέγιστη ταχύτητα ροής του αερίου υπολογίζεται ως εξής:

1/ 2

maxL V

V VV

U K

(8.2)

όπου,

(Uv)max : μέγιστη ταχύτητα του αερίου, ft/s

Κν : σχεδιαστικός παράγοντας ταχύτητας αερίου (design vapor velocity factor)

4. Γνωρίζοντας τη μέγιστη ταχύτητα ροής του αερίου υπολογίζεται η

ελάχιστη επιφάνεια διατομής του δοχείου:

min

max

V

V

QA

U (8.3)

όπου,

Amin : ελάχιστη επιφάνεια διατομής του δοχείου, ft2

Qv : ογκομετρική παροχή αερίου, ft3/s



5. Στη συνέχεια υπολογίζεται η ελάχιστη διάμετρος του δοχείου:

1/ 2

minmin

4 AD

(8.4)

όπου,

Dmin : ελάχιστη διάμετρος του δοχείου, ft

Η τιμή της διαμέτρου που προκύπτει στρογγυλοποιείται προς τα πάνω ανά 6

in.

6. Το επόμενο βήμα είναι η διαστασιολόγηση του αγωγού τροφοδοσίας

του δοχείου σύμφωνα με τα πιο κάτω κριτήρια:

1/ 2

max

1/ 2

min

100 (8.5)

60 8.6

mixnozzle

mixnozzle

U

U

όπου,

(Umax)nozzle : μέγιστη ταχύτητα του μίγματος στον αγωγό τροφοδοσίας, ft/s

(Umin)nozzle : ελάχιστη ταχύτητα του μίγματος στον αγωγό τροφοδοσίας, ft/s

Qmix : πυκνότητα του μίγματος, lb/ft3

Χρησιμοποιώντας μια μέση τιμή ταχύτητας υπολογίζεται η διάμετρος του

αγωγού τροφοδοσίας:

4 mix

nozzleave nozzle

QD

U

(8.7)

όπου,

Dnozzle : διάμετρος του αγωγού τροφοδοσίας του δοχείου, ft

(Uave)nozzle : μέση ταχύτητα του μίγματος στον αγωγό τροφοδοσίας, ft/s

Qmix : ογκομετρική παροχή του μίγματος τροφοδοσίας, ft3/s

7. Στη συνέχεια επιλέγεται ο χρόνος παραμονής του υγρού στο δοχείο και

με βάση αυτόν υπολογίζεται ο όγκος της υγρής φάσης από τη σχέση:

L LV Q T (8.8)

όπου,

VL: όγκος υγρού, ft3

QL: ογκομετρική ροή του υγρού, ft3/s



Τ: χρόνος παραμονής, sec (τυπικοί χρόνοι παραμονής του υγρού στο δοχείο

είναι Τ = 300 -600 sec)

8. Γνωρίζοντας τον όγκο του υγρού στο δοχείο υπολογίζεται το ύψος της

στάθμης του υγρού από την πιο κάτω σχέση:

2

4 LL

VH

D

(8.9)

όπου,

HL: ύψος υγρού, ft

D : διάμετρος του δοχείου, ft2

9. Ακολούθως υπολογίζεται το ύψος της στάθμης του αερίου στο δοχείο

που βρίσκεται από τη σχέση:

36 0,5 12 0,5V nozzle nozzleH D D (8.10)

όπου,

Ην : ύψος του αερίου, in

Dnozzle : διάμετρος του αγωγού τροφοδοσίας του δοχείου, in

Οι διαστάσεις του δοχείου που προκύπτουν από την πιο πάνω διαδικασία θα

πρέπει να επαληθεύουν την εξής σχέση:

3 5H

D (8.11)

Σε περίπτωση που η πιο πάνω σχέση δεν επαληθεύεται, η διαδικασία

επαναλαμβάνεται ή επιλέγεται οριζόντιος διαχωριστής.

Πάχος τοιχωμάτων

Αρχικά, υπολογίζεται το πάχος των τοιχωμάτων για το κέλυφος αλλά και για

τις ημισφαιρικές κεφαλές ως εξής:

8.120,6

8.132 0, 2

s cor

h cor

P Rt C

S E P

P Rt C

S E P



όπου,

ts : πάχος τοιχωμάτων στο κέλυφος, in

th : πάχος τοιχωμάτων στις κεφαλές, in

Ρ : πίεση σχεδιασμού, psi (η οποία βρίσκεται ως Ρ = Pλειτ + 50 psi)

R : ακτίνα διαχωριστή, in

Ε : αποτελεσματικότητα των συγκολλήσεων (joint efficiency), E = 0,85 για SS

S : μέγιστη επιτρεπόμενη τάση σε εφελκυσμό στο κράμα κατασκευής, S =

13700 psi για CS

Ccor : ανοχή σε διάβρωση, (για μη διαβρωτικό περιβάλλον C = 0,1 in)

Στη συνέχεια υπολογίζεται το βάρος των διαχωριστών σύμφωνα με την πιο

κάτω σχέση[38]:

212m

s s H hW A t A t

(8.14)

όπου,

W : βάρος διαχωριστή, lbm

ρm : πυκνότητα του μετάλλου, ρm = 490 lbm/ft3

As: επιφάνεια κελύφους, ft

Ah: επιφάνεια κεφαλής, ft2

Οι επιφάνειες υπολογίζονται ώς εξής:

2

8.15

8.164

s

h

A D H

DA H

όπου,

D : διάμετρος διαχωριστή, ft

Η : ύψος διαχωριστή, ft

8.3 Κοστολόγηση των διαχωριστών υγρής - αέριας φάσης Το κόστος των διαχωριστών δίνεται από την πιο κάτω σχέση[38]:

M b aC F C C (8.17)



όπου,

2

0,7396 0,7068

exp 9,100 0,2889 0,04576 8.18

246 8.19

b

a

C InW InW

C D H

C: πάγιο κόστος διαχωριστή

Ο παράγοντας FM εξαρτάται από το υλικό και για SS παίρνει την τιμή

1.Υπολογιζεται το πάγιο κόστος των διαχωριστών και διορθώνεται για κάθε

έτος σύμφωνα με τους δείκτες του περιοδικού Chemical Engineering εν

συνεχεία πολλαπλασιάζεται με τον συντελεστή εγκατάστασης (FI = 2,8 για SS)

για να δώσει το κόστος αγοράς και εγκατάστασης των συσκευών. Επιπλέον,

στο ολικό κόστος θεωρείται ότι έχει ληφθεί υπόψη και το κόστος του

σταγονοσύλλεκτη.



ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9o: ΕΞΑΤΜΙΣΤΗΡΑΣ

9.1 Γενικά

Τα προϊόντα της αναμόρφωσης μετά από την χρησιμοποίηση τους για τη

θέρμανση της παροχής του φυσικού αερίου χρησιμοποιούνται για την

παραγωγή ατμού ώστε να μειωθεί η θερμοκρασία τους. Η διεργασία αυτή

λαμβάνει χώρα σε έναν εξατμιστήρα μακριών αυλών με ανοδική ροή. Οι

διάμετροι των αυλών κυμαίνονται από 25 έως 50 mm και το μήκος τους από 3

έως 10 m[33].

9.2 Σχεδιασμός εξατμιστήρα

1. Αρχικά υπολογίζεται το θερμικό καθήκον του εξατμιστήρα σύμφωνα

με την παρακάτω σχέση:

1382

932

s

tPQ m C dT (9.1)

όπου,

m: μάζα προϊόντων αναμόρφωσης, lbmole/hr

cp: μέση θερμοχωρητικότητα προϊόντων

Q: θερμικό καθήκον του εξατμιστήρα, Btu/hr

2. Υπολογίζεται η μέση λογαριθμική διαφορά θερμοκρασίας από την

εξίσωση:

2 1 1 2

2 1

1 2

T t T tLMTD

T tInT t

(9.2)

όπου,

LMTD: μέση λογαριθμική διαφορά θερμοκρασιών των δύο ρευμάτων, °F

Τ1, Τ2 : αρχική και τελική θερμοκρασία θερμαινόμενου ρεύματος, °F

t1, t2 : αρχική και τελική θερμοκρασία θερμαντικού μέσου, °F

3. Υποθέτουμε μια τιμή για τον ολικό σχεδιαστικό συντελεστή

μεταφοράς θερμότητας, UD, από τη βιβλιογραφία[26].



4. Υπολογίζεται η επιφάνεια εναλλαγής θερμότητας από τη σχέση:

D

QA

U LMTD

(9.3)

όπου,

Α : επιφάνεια εναλλαγής θερμότητας, ft2

UD : σχεδιαστικός ολικός συντελεστής μεταφοράς θερμότητας, Btu/hr.°F.ft2

Q : ροή θερμότητας στον εναλλάκτη, Btu/hr

LMTD : μέση λογαριθμική διαφορά θερμοκρασίας των δύο ρευμάτων του

εναλλάκτη

5. Υπολογίζεται ο αριθμός των αυλών στο κέλυφος από την εξίσωση:

1

AN

ODL (9.4)

όπου,

N1 : αριθμός αυλών

OD : εξωτερική διάμετρος αυλών, in (τυποποιημένες τιμές)

L : μήκος αυλού, ft (τυποποιημένες τιμές)

6. Υπολογίζεται η ποσότητα του παραγόμενου ατμού από την

παρακάτω σχέση :

77

S

t

T

PQ m C dT m (9.5)

όπου,

CPt: η ειδική θερμότητα του υγρού νερού (= 1 Btu/lb°F)

Ts : η θερμοκρασία κορεσμού του νερού (για πίεση 14,7 psia είναι ίση με 212°

F)

λ : η ενθαλπία εξάτμισης του κορεσμένου νερού (για πίεση 14,7 psia είναι ίση

με 970,3 Btu/lb)



9.3 Κοστολόγηση εξατμιστήρα

Η κοστολόγηση των συσκευών εναλλαγής θερμότητας γίνεται με τη βοήθεια

συναρτήσεων κόστους από την βιβλιογραφία. Το χαρακτηριστικό μέγεθος για

την κοστολόγηση των εξατμιστήρων είναι η επιφάνεια εναλλαγής . Σύμφωνα

με τη βιβλιογραφία[38], το πάγιο κόστος ενός εξατμιστήρα με μεγάλο μήκος

αυλών δίνεται από την πιο κάτω σχέση:

0,850,36 mC f A (9.6)

όπου,

Α : Επιφάνεια εναλλαγής θερμότητας, ft2

fm : Συντελεστής που εξαρτάται από το υλικό κατασκευής

Το κόστος αγοράς που υπολογίστηκε παραπάνω πολλαπλασιάζεται με το

συντελεστή αγοράς και εγκατάστασης , για να υπολογιστεί το τελικό κόστος.



ΚΕΦΑΛΑΙΟ 10ο : ΕΝΑΛΛΑΚΤΕΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ

10.1 Γενικά

Οι εναλλάκτες θερμότητας είναι συσκευές οι οποίες χρησιμοποιούνται για τη

μεταφορά θερμότητας από ένα θερμό προς ένα ψυχρό ρεύμα. Η μεταφορά

θερμότητας γίνεται με συναγωγή, με αγωγή ή με ακτινοβολία (συνήθως με

συνδυασμό όλων των παραπάνω). Κατ' αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνεται η

ψύξη ή η θέρμανση των ρευμάτων της διεργασίας, ανάλογα με τις εκάστοτε

απαιτήσεις. Παραλλαγές των εναλλακτών αποτελούν οι συμπυκνωτές και οι

αναβραστήρες, στους οποίους επιπρόσθετα πραγματοποιείται και αλλαγή

φάσης.

10.2 Χαρακτηριστικά εναλλακτών θερμότητας της μονάδας

Σε μια τέτοια μονάδα χρησιμοποιούνται εναλλάκτες τύπου κελύφους - αυλών

(shell and tube), για την επίτευξη τόσο της θέρμανσης όσο και της ψύξης

διαφόρων ρευμάτων της διεργασίας. Ο εναλλάκτης αυτού του τύπου

αποτελείται από ένα κέλυφος, εντός του οποίου περιέχονται σωλήνες

τοποθετημένοι παράλληλα. Το ένα ρευστό ρέει μέσα στο κέλυφος (shell -

side), ενώ το άλλο ρέει μέσα στους αυλούς (tube - side). Ο συγκεκριμένος

τύπος εναλλάκτη είναι και ο πλέον διαδεδομένος στην βιομηχανία, διότι λόγω

της κατασκευής του εξασφαλίζεται ικανοποιητική εναλλαγή θερμότητας. Το

επιλεχθέν σχήμα των αυλών είναι της μορφής U - bend και παρέχει τη

δυνατότητα ελεύθερης επέκτασης, καθώς και αυτή της εξαγωγής τους από το

κέλυφος, ώστε να διευκολύνεται η συντήρηση και η επιδιόρθωση. Η επιλογή

του ρέοντος ρευστού στους αυλούς ή στο κέλυφος περιλαμβάνει μια σειρά

από παράγοντες και τελικά αποτελεί ένα συμβιβασμό ανάμεσα σε αντιφατικές,

πολλές φορές, απαιτήσεις. Μερικά από τα βασικά κριτήρια παρατίθενται

παρακάτω:

Πίεση

Το απαιτούμενο πάχος του τοιχώματος εντός του οποίου ασκείται μια

ορισμένη πίεση αυξάνει ανάλογα με τη διάμετρο. Επομένως, τα ρευστά με την

υψηλή πίεση πρέπει να ρέουν μέσα στους αυλούς.



Θερμοκρασία

Οι υψηλές θερμοκρασίες ελαττώνουν την αντοχή των υλικών, επομένως

οδηγούν σε μεγαλύτερα πάχη. Δηλαδή, αν το ρευστό με την υψηλότερη

θερμοκρασία ρέει στο κέλυφος, απαιτεί πρόσθετη μόνωση.

Διάβρωση

Τα διαβρωτικά ρευστά απαιτούν τη χρήση ειδικών και επομένως ακριβών

υλικών.

Πτώση πίεσης

Η πτώση πίεσης μέσα στους αυλούς μπορεί να υπολογιστεί με μεγαλύτερη

ακρίβεια από αυτή μέσα στο κέλυφος. Για το λόγο αυτό, όταν για κάποιο

ρευστό η πτώση πίεσης είναι κρίσιμο πρόβλημα, το ρευστό αυτό τοποθετείται

στους αυλούς.

Κόστος των ρευστών

Η διαρροή είναι λιγότερο πιθανή για ροή μέσα στους αυλούς απ' ότι για ροή

μέσα στο κέλυφος.

Καθαρισμός του εναλλάκτη

Η ρύπανση του εναλλάκτη μειώνει αισθητά την ικανότητα μεταφοράς θερμικής

ισχύος. Στην πλειονότητα των περιπτώσεων, ο καθαρισμός των αυλών

είναι ευκολότερος. Συνεπώς, προτιμάται το πιο ρυπαντικό ρευστό να ρέει

μέσα στους αυλούς.

Οι εναλλάκτες διατίθενται με τυποποιημένα μήκη αυλών (8, 12, 16,18 και 20

ft). Για τους εναλλάκτες επιλέγεται συνήθως το μεγαλύτερο μήκος αυλών (20

ft), διότι έτσι απαιτείται μικρότερος αριθμός αυλών για τη δημιουργία της

απαιτούμενης ολικής επιφάνειας εναλλαγής. Η συνηθέστερη εξωτερική

διάμετρος των αυλών είναι αυτή των 3/4 in, γιατί με τους αυλούς αυτής της

διαμέτρου επιτυγχάνεται το μικρότερο κόστος.

Η διάταξη των αυλών του εναλλάκτη μπορεί να είναι τετραγωνική ή τριγωνική.

Οι εναλλάκτες τετραγωνικής διάταξης έχουν ως πλεονέκτημα τον ευκολότερο

εξωτερικό καθαρισμό των αυλών. Αντίθετα, οι εναλλάκτες τριγωνικής διάταξης

επιτρέπουν μεγαλύτερο αριθμό αυλών σε ίδιο μέγεθος κελύφους. Η

τοποθέτηση των ανακλαστήρων (baffles), η οποία γίνεται κάθετα προς τους

αυλούς, οδηγεί στην αύξηση του αριθμού Reynolds του ρευστού του



κελύφους με αποτέλεσμα την αύξηση του μερικού συντελεστή μεταφοράς

θερμότητας, αλλά και την αύξηση της πτώσης πίεσης. Η απόσταση μεταξύ

των ανακλαστήρων κυμαίνεται από 0,2 μέχρι 1 της εσωτερικής διαμέτρου του

κελύφους.

Για την υπό μελέτη μονάδα συνήθως επιλέγεται ο εναλλάκτης 1-2 πολλαπλών

διόδων. Το πρώτο ψηφίο αντιστοιχεί στις διαδρομές (passes) που

πραγματοποιεί το ρευστό του κελύφους πριν εξέλθει από τον εναλλάκτη, ενώ

το δεύτερο στις διαδρομές του ρευστού των αυλών.

Οι εναλλάκτες 1 - 2 έχουν συνήθως βραχείς αυλούς και υψηλές ταχύτητες που

εξασφαλίζουν υψηλούς συντελεστές μεταφοράς και μικρές αποθέσεις. Βέβαια,

οι υψηλές ταχύτητες προκαλούν υψηλότερη πτώση πίεσης με αποτέλεσμα να

αυξάνεται το κόστος άντλησης[33].

10.3 Σχεδιασμός των εναλλακτών θερμότητας

Παρακάτω παρουσιάζεται αναλυτικά ο αλγόριθμος που χρησιμοποιείται για

τον σχεδιασμό των εναλλακτών της διεργασίας[26]. Σε όλους τους παρακάτω

τύπους χρησιμοποιείται Αγγλικό σύστημα μονάδων αφού σε αυτό έχει γίνει η

τυποποίηση των εναλλακτών:

1. Αρχικά υπολογίζεται η απαιτούμενη ροή θερμότητας στον εναλλάκτη

από την παρακάτω σχέση:

2 1Cc P C CQ m C T T (10.1)

όπου,

Q: το θερμικό καθήκον του εναλλάκτη, Btu/h

mc : η μαζική ροή του ψυχρού/θερμού ρεύματος, lb/hr

CPC : η ειδική θερμότητα του ψυχρού/θερμού ρεύματος, Btu/lb·°F

1CT :η θερμοκρασία του ψυχρού/θερμού ρεύματος στην είσοδο του

εναλλάκτη,°F

2CT :η θερμοκρασία του ψυχρού/θερμού ρεύματος στην έξοδο του

εναλλάκτη,°F



2. Προσδιορίζεται η τιμή της μέσης λογαριθμικής διαφοράς LMTD από την

σχέση:

2 2 1 1

2 2

1 1

1

h C h C

h C

h C

T T T TLMTD

T TnT T

(10.2)

όπου,

1hT : η θερμοκρασία του θερμού ρευστού στην είσοδο του εναλλακτη, °F

2hT : η θερμοκρασία του θερμού ρευστού στην έξοδο του εναλλακτη, °F

1CT : η θερμοκρασία του ψυχρού ρευστού στην είσοδο του εναλλακτη, °F

2CT : η θερμοκρασία του ψυχρού ρευστού στην έξοδο του εναλλακτη, °F

Σαν μέσο θέρμανσης στον πρώτο εναλλάκτη χρησιμοποιείται το ρεύμα των

προϊόντων του αναμορφωτή (θερμοκρασίας 850°C), το οποίο στην έξοδο του

απ' τον εναλλακτη έχει θερμοκρασία 720°C.

3. Για τον προσδιορισμό της απαιτούμενης επιφάνειας εναλλαγής

θερμότητας χρησιμοποιείται ο συντελεστής διόρθωσης FT από

κατάλληλα διαγράμματα για εναλλακτη τύπου κελύφους - αυλών 1 - 2

συναρτήσει των μεταβλητών R και S. Οι συγκεκριμένες μεταβλητές

ορίζονται από τις παρακάτω σχέσεις και είναι αντιπροσωπευτικές του

θερμοκρασιακού προφίλ των ρευστών κατά μήκος του εναλλακτη:

1 2

2 1

2 1

1 1

10.3

10.4

C C

h h

h h

C h

T TR

T T

T TS

T T

4. Υποθέτουμε μια τιμή για τον ολικό σχεδιαστικό συντελεστή μεταφοράς

θερμότητας, UD, από τη βιβλιογραφία[26].

5. Υπολογίζεται η επιφάνεια εναλλαγής θερμότητας από την παρακάτω

σχέση:



D T

QA

U LMTDF

& (10.5)

όπου,


UD : σχεδιαστικός ολικός συντελεστής μεταφοράς θερμότητας, Btu/hr.°F.ft2

Q& : ροή θερμότητας στον εναλλάκτη, Btu/hr


εναλλάκτη

6. Υπολογίζεται ο εικονικός αριθμός των αυλών στο κέλυφος από την

εξίσωση:

t

AN

ODL (10.6)

όπου,

Nt : εικονικός αριθμός αυλών

OD: εξωτερική διάμετρος αυλών, in (τυποποιημένες τιμές)[26]

L: μήκος αυλού, ft (τυποποιημένες τιμές)[26]

Μόλις βρεθεί ο εικονικός αριθμός αυλών συγκρίνεται με τυποποιημένους

πίνακες και λαμβάνεται ο μεγαλύτερος κοντινός[26].

7. Υπολογίζεται η πτώση πίεσης στο κέλυφος από την παρακάτω

εξίσωση:

2 1

2s s

se s

f G D NP

g p D

(10.7)

όπου,

ΔΡs : πτώση πίεσης στο κέλυφος, psia

f: αδιάστατος συντελεστής τριβής που υπολογίζεται από διαγράμματα

συναρτήσει του αριθμού Reynolds

Ds : εσωτερική διάμετρος κελύφους, ft

De : ισοδύναμη διάμετρος κελύφους, ft

Gs : ταχύτητα μάζας στο κέλυφος, lb/hr·ft2

(Ν+1): αριθμός διασταυρώσεων (=aB/L)



α = 12 για 1 - 2 εναλλάκτη

Β: απόσταση ανακλαστήρων, in

L: μήκος αυλών, ft

Ο αριθμός Reynolds ορίζεται απ' τη σχέση:

e ses

s

D GR

(10.8)

όπου,

Gs : ταχύτητα μάζας στο κέλυφος, lb/hr·ft2

/ 10.9

10.10144

s s

ss

t

G W a

ID CBa

P

όπου,

W: ροή μάζας στο κέλυφος, lb/hr

αs : επιφάνεια ροής στο κέλυφος, in2

Pt : απόσταση αυλών, κέντρο-κέντρο, in

C: η κοντινότερη απόσταση των αυλών, εφαπτόμενη-εφαπτόμενη, in

Β: απόσταση ανακλαστήρων, 1

5s sID B ID

IDS : εσωτερική διάμετρος κελύφους, τυποποιημένες τιμές

8. Η πτώση πίεσης στους αυλούς υπολογίζεται από τις παρακάτω

εξισώσεις:

2

10.112

10.12

(10.13)

(10.14)144

tt

s

t tet

t

tt

t tt

f G LnP

g p D

IDGR

WG

N

n



όπου,

Gt : ταχύτητα μάζας στους αυλούς, lb/hr ft

W : ροή μάζας στους αυλούς, lb/hr

αt : επιφάνεια ροής στους αυλούς, in

tN : τυποποιημένος αριθμός αυλών (ο κοντινότερος μεγαλύτερος στο Nt

αρχικό)

t : επιφάνεια ροής θερμότητας ανά αυλό, in

n : αριθμός περασμάτων αυλών

Η πτώση πίεσης στους αυλούς και στο κέλυφος πρέπει να είναι μικρότερη

από 10 psia.

10.4 Κοστολόγηση ενναλακτών θερμότητας


συναρτήσεων κόστους που δίνονται στη βιβλιογραφία. Το χαρακτηριστικό

μέγεθος για την κοστολόγηση των εναλλακτών είναι η επιφάνεια εναλλαγής.

Σύμφωνα με τη βιβλιογραφία[38], το πάγιο κόστος ενός εναλλάκτη δίνεται από

την πιο κάτω σχέση:

d m p bC f f f C (10.15)

όπου,

C: πάγιο κόστος εναλλάκτη, $


exp 0,9816 0,083 1 10.16

0,8603 0, 23296 1 10.17

0,7771 0,04981 1

d

m

p

f nA

f nA

f nA

2

10.18

exp 8,821 0,30863 1 0,0681 1 (10.19)bC nA nA

Ο παράγοντας fd εξαρτάται από τον τύπο του εναλλάκτη και για U- tube ισχύει

η εξίσωση (10.16). Ο παράγοντας fp εξαρτάται από την πίεση στον

αντιδραστήρα ενώ ο παράγοντας fm από το υλικό κατασκευής (SS 316).



Το αποτέλεσμα από την παραπάνω σχέση διορθώνεται για κάθε έτος

σύμφωνα με τους δείκτες του περιοδικού Chemical Engineering και

πολλαπλασιάζεται με τον συντελεστή εγκατάστασης, για να δώσει το

κόστος αγοράς και εγκατάστασης της συσκευής.



ΚΕΦΑΛΑΙΟ 11ο : ΜΟΝΑΔΑ ΣΥΜΠΥΚΝΩΣΗΣ

11.1 Γενικά

Οι συμπυκνωτές είναι εναλλάκτες θερμότητας, στους οποίους κατά την

εναλλαγή αυτή πραγματοποιείται ταυτόχρονα και αλλαγή φάσης ενός αερίου

που μετατρέπεται σε υγρό. Η κυριότερη χρήση των συμπυκνωτών είναι στις

αποστακτικές στήλες για τη συμπύκνωση του αποστάγματος και γενικά στις

περισσότερες εφαρμογές όπου απαιτείται η συμπύκνωση κάποιου αερίου. Οι

βασικοί τύποι συμπυκνωτών είναι οι ακόλουθοι:

Σωληνωτοί συμπυκνωτές

Αεροσυμπυκνωτές

Συμπυκνωτές τύπου πλακών

Συμπυκνωτές άμεσης επαφής

Οι συμπυκνωτές επιλέγονται σύμφωνα με τα πιο κάτω κριτήρια:

1) Οι αεροσυμπυκνωτές χρησιμοποιούνται όταν δεν υπάρχει διαθέσιμο

νερό ψύξης μέσω καναλιών, λιμνών ή ψυκτικών πύργων.

2) Οι εναλλάκτες τύπου πλακών είναι πιο φθηνοί σε σύγκριση με τους

εναλλάκτες τύπου κελύφους-αυλών, αλλά δεν χρησιμοποιούνται για

τοξικά ή εύφλεκτα ρευστά διότι υπάρχει κίνδυνος διαρροής. Είναι

επίσης καλό να αποφεύγονται στις υψηλές πιέσεις.

3) Στην περίπτωση που είναι απαραίτητη η επαναρροή,

χρησιμοποιούνται συμπυκνωτές τύπου κελύφους-αυλών. Αν το

ρευστό που ρέει είναι διαβρωτικό και έχει μεγάλη πίεση τότε

προτιμάται να ρέει στους αυλούς[38].

Συμπύκνωση Υδρατμών

Στην υπό μελέτη μονάδα, το αέριο μίγμα που εξέρχεται απ 'τον shift reactor

στη θερμοκρασία των 250°C αποτελείται από 64% υδρογόνο, 19%

υδρατμούς, 16% διοξείδιο του άνθρακα, 0,8% μεθάνιο και 0,12% άζωτο, ενώ

έχει πίεση 15 atm. To μίγμα αυτό αρχικά ψύχεται στους 198°C, διότι στη

θερμοκρασία αυτή οι υπέρθερμοι υδρατμοί καθίστανται κορεσμένοι. Για το

σκοπό αυτό χρησιμοποιείται ένας εναλλάκτης θερμότητας τύπου κελύφους-



αυλών που χρησιμοποιεί σαν υγρό ψύξης νερό. Στη συνέχεια το αέριο μίγμα

εισέρχεται σε έναν επίσης υδρόψυκτο συμπυκνωτή τύπου κελύφους - αυλών

ο οποίος απορροφά την απαραίτητη ενέργεια από τους υδρατμούς ώστε οι

τελευταίοι να υγροποιηθούν (λανθάνουσα θερμότητα). Τέλος, το μίγμα αερίου

- νερού οδηγείται σε νέο υδρόψυκτο εναλλάκτη τύπου κελύφους-αυλών, ο

οποίος το ψύχει στους 55°C, ετοιμάζοντας το έτσι για την είσοδο του στο

διαχωριστή νερού - αερίων (water knock-out vessel). To χρησιμοποιούμενο

νερό του δικτύου ύδρευσης οδηγείται στον πύργο ψύξης και

επαναχρησιμοποιείται. Το ρεύμα της διεργασίας εισέρχεται στους εναλλάκτες

απ 'την πλευρά του κελύφους, ενώ το ψυκτικό ρευστό διοχετεύεται εντός των

αυλών.

11.2 Σχεδιασμός συμπυκνωτή

Στη συνέχεια παρουσιάζονται τα υπολογιστικά βήματα για το σχεδιασμό του

συμπυκνωτή.

1. Θεωρώντας ότι το ρευστό που συμπυκνώνεται εισέρχεται ως

κορεσμένος ατμός και εξέρχεται ως κορεσμένο υγρό και ότι η φάση των

υπολοίπων συστατικών του μίγματος δεν μεταβάλλεται, η ροή

θερμότητας από τον συμπυκνωτή υπολογίζεται με τη βοήθεια της

σχέσης:

in outcQ W H H g g

(11.1)

όπου,

cQg

: ροή θερμότητας στον συμπυκνωτή, kJ/hr

Wg

: ροή ρευστού διεργασίας στον συμπυκνωτή, kg/hr

Hin : ενθαλπία κορεσμένων υδρατμών, kJ/kg

Hout : ενθαλπία κορεσμένου νερού, kJ/kg

2. Η μαζική παροχή του νερού ψύξης στον συμπυκνωτή υπολογίζεται

από τη σχέση:

CA

P

QW

C T

gg

(11.2)



όπου,

AWg

: μαζική ροή νερού ψύξης, kgmol/hr

Cp: ειδική θερμότητα νερού kj/kgmol Κ

cQg

: ροή θερμότητας στον συμπυκνωτή, kJ/hr

ΔΤ = t2 – t1: θερμοκρασιακή διαφορά εξόδου - εισόδου νερού ψύξης, Κ

3. Γίνεται υπόθεση για το σχεδιαστικό ολικό συντελεστή μεταφοράς

θερμότητας στο συμπυκνωτή (ο UD λαμβάνεται ίσος με 150

Btu/ft2 hr °F ή 3066 kJ/m2 hr K).

4. Υπολογίζεται η μέση λογαριθμική διαφορά θερμοκρασίας από την

εξίσωση:

2 1 1 2

2 1

1 2

1

T t T tLMDT

T tnT t

(11.3)

όπου,

LMTD: μέση λογαριθμική διαφορά θερμοκρασιών των δύο ρευμάτων, Κ

Τ1, Τ2: αρχική και τελική θερμοκρασία ρεύματος στο συμπυκνωτή, Κ

t1, t2: αρχική και τελική θερμοκρασία ψυκτικού μέσου, Κ

5. Υπολογίζεται η επιφάνεια εναλλαγής θερμότητας:

c

D

QA

U LMTD

g

(11.4)

όπου,

cQg

: ροή θερμότητας στον εναλλάκτη, kJ/hr

Α: επιφάνεια εναλλαγής θερμότητας, m2

UD: σχεδιαστικός ολικός συντελεστής μεταφοράς θερμότητας, kJ/m2 hr K


εναλλάκτη



6. Υπολογίζεται ο εικονικός αριθμός των αυλών στο κέλυφος από την

εξίσωση:

t

AN

ODL (11.5)

όπου,

Nt: εικονικός αριθμός αυλών

OD: εξωτερική διάμετρος αυλών, m (τυποποιημένες τιμές)

L: μήκος αυλού, m (τυποποιημένες τιμές)

Μόλις βρεθεί ο εικονικός αριθμός αυλών συγκρίνεται με τυποποιημένους

πίνακες και παίρνουμε το μεγαλύτερο κοντινό.

Γενικά, τα υπόλοιπα μεγέθη που έχουν να κάνουν με το σχεδιασμό των

συμπυκνωτών υπολογίζονται με τη βοήθεια των σχέσεων που

χρησιμοποιούνται και για τους εναλλάκτες[23].

11.3 Κοστολόγηση εναλλακτών - συμπυκνωτή


συναρτήσεων κόστους που δίνονται στη βιβλιογραφία[38]. Το χαρακτηριστικό

μέγεθος για την κοστολόγηση των συμπυκνωτών είναι η επιφάνεια εναλλαγής

θερμότητας.

Σύμφωνα με τη βιβλιογραφία, το πάγιο κόστος ενός εναλλάκτη ή συμπυκνωτή

δίνεται από την ακόλουθη σχέση:

d m p bC f f f C (11.6)

όπου,

C : κόστος αγοράς εναλλάκτη ή συμπυκνωτή, $

Α : επιφάνεια εναλλαγής θερμότητας, ft2

exp 0,9816 0,083 1 11.7

0,8603 0, 23296 1 11.8

0,7771 0,04981 1

d

m

p

f nA

f nA

f nA

2

11.9

exp 8,821 0,3863 1 0,0681 1 11.10bC nA nA



Ο παράγοντας fd εξαρτάται από τον τύπο του συμπυκνωτή και για U- tube

ισχύει η εξίσωση (11.7). Ο παράγοντας fp εξαρτάται από την πίεση στον

αντιδραστήρα ενώ ο παράγοντας fm από το υλικό κατασκευής (SS 316). Το

αποτέλεσμα της παραπάνω σχέσης διορθώνεται για κάθε έτος με τη βοήθεια

των δεικτών του περιοδικού Chemical Engineering και να πολλαπλασιαστεί με

τον συντελεστή εγκατάστασης, ώστε να προκύψει το κόστος αγοράς και

εγκατάστασης του συμπυκνωτή.



ΚΕΦΑΛΑΙΟ 12ο : ΚΑΜΙΝΑΔΑ

12.1 Γενικά

Τα καυσαέρια που παράγονται από τον καυστήρα οδηγούνται στην καμινάδα

με σκοπό την έκλυση τους στην ατμόσφαιρα. Μετά την έξοδο τους από την

καμινάδα διαχέονται στη μάζα του ατμοσφαιρικού αέρα και αναμιγνύονται με

αυτή. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται ένα είδος αραίωσης ή διάλυσης των

ρύπων στην ατμόσφαιρα, ώστε να περιοριστεί η συγκέντρωση τους όταν

φτάσουν στους τελικούς αποδέκτες που μπορεί να είναι το έδαφος ή τα κτίρια.

Εδώ ασφαλώς πρέπει να τονιστεί ότι οι καμινάδες απλώς ελαττώνουν την

πυκνότητα των ρύπων και όχι την ποσότητα τους. Η ακριβής επίδραση των

αέριων ρύπων στην ατμόσφαιρα είναι πολύ δύσκολο να προβλεφθεί εξαιτίας

των πολύπλοκων και μεταβαλλόμενων παραγόντων που την επηρεάζουν. Οι

κυριότεροι από αυτούς είναι οι εξής:

η ταχύτητα και η κατεύθυνση του ανέμου

η θερμοκρασία

η υγρασία

οι ατμοσφαιρικές αναταράξεις

οι τοπογραφικοί μετεωρολογικοί παράγοντες

η φύση των ρύπων

Η διασπορά των ρυπαντών στον αέρα επηρεάζεται κυρίως από τη διάμετρο

της καμινάδας, το ύψος της, τη θερμοκρασία των καυσαερίων και τη

διαμόρφωση των κτιρίων της περιοχής. Είναι γενικά αποδεκτό, ότι όσο

μεγαλύτερο είναι το ύψος της καμινάδας τόσο πιο μακριά γίνεται η διασπορά

των αερίων αποβλήτων και τόσο λιγότερο αισθητό είναι το φαινόμενο της

ρύπανσης στην ατμόσφαιρα. Βέλτιστο ύψος όμως είναι το ελάχιστο ύψος

(που συνεπάγεται χαμηλό κόστος), το οποίο ανταποκρίνεται στους

περιορισμούς της πολιτείας με βάση τα αποδεκτά όρια ρύπανσης, για

σημειακή μόλυνση και για μόλυνση σε κάποια απόσταση από την περιοχή της

μονάδας[27][19].



12.2 Σχεδιασμός της καμινάδας

Ο σχεδιασμός της καμινάδας, πραγματοποιείται λαμβάνοντας υπόψη τη

διασπορά των ρύπων στην μικροκλίμακα, δηλαδή στην πλησιέστερη

κατοικημένη περιοχή. Ο σχεδιασμός της καμινάδας γίνεται σύμφωνα με τον

πιο κάτω αλγόριθμο:

1)Αρχικά, υπολογίζεται η διάμετρος της καμινάδας. Για στατικούς λόγους η

διάμετρος της βάσης είναι μεγαλύτερη από της κορυφής, αλλά στους

υπολογισμούς υπεισέρχεται η διάμετρος της κορυφής:

4

s

Qd

u

(12.1)

όπου,

d: διάμετρος της καμινάδας, m

Q: μέγιστη ογκομετρική παροχή απαερίων, m3/s

us: ταχύτητα απαερίων, m/s

Η ταχύτητα εξόδου των απαερίων θεωρείται ίση με 15 m/s. Η ταχύτητα αυτή

αποδίδεται στα απαέρια με μία διάταξη συμπίεσης (π.χ. ανεμιστήρας).

2)Σύμφωνα με την GED (Good Engineering Practice), το ελάχιστα

αποδεκτό ύψος της καμινάδας είναι ίσο με 2,5 φορές το ύψος των κτιρίων της

περιοχής με βάση την πολεοδομία[19].Το πραγματικό ύψος της καμινάδας

υπολογίζεται από την ακόλουθη σχέση:

2,5s bH H (12.2)

όπου,

Hs: πραγματικό ύψος της καμινάδας, m

Hb: επιτρεπόμενο ύψος κτιρίων της περιοχής, m

Στην περιοχή ανέγερσης της βιομηχανίας το μέγιστο επιτρεπόμενο κτίσμα δεν

πρέπει να υπερβαίνει τους 5 ορόφους. Θεωρώντας ότι ο κάθε όροφος έχει

ύψος 3 m, το ύψος του ανέρχεται στα 15 m.



3. Επειδή τα καυσαέρια κατά την έξοδο τους από την καμινάδα έχουν

διαφορετική θερμοκρασία και ταχύτητα από αυτή του ατμοσφαιρικού αέρα,

ανέρχονται υψηλότερα από το πραγματικό ύψος της καμινάδας πριν

προσαρμοστούν στην επικρατούσα κατεύθυνση του αέρα. Η αύξηση αυτή

του ύψους των απαερίων προσδιορίζεται μέσω της εξίσωσης Holland:

21,5 2,68 10s S

S

u d T Th P d

u T

(12.3)

όπου,

Δh: αύξηση του ύψους των απαερίων πάνω από την καμινάδα, m

us: ταχύτητα των απαερίων κατά την έξοδο τους από την καμινάδα, m/s

u: μέση ταχύτητα του αέρα στο ύψος της καμινάδας, m/s

d: διάμετρος της καμινάδας, m

Ρ: ατμοσφαιρική πίεση, kPa

Ts: θερμοκρασία των απαερίων, Ts = 413 Κ

Τα: θερμοκρασία του ατμοσφαιρικού αέρα, Τα = 293 Κ

4)Η ταχύτητα του αέρα στην έξοδο της καμινάδας υπολογίζεται από την

σχέση:

10 10z

ZU U

(12.4)

όπου,

Ζ: απόσταση από την επιφάνεια της γης, m

Uz: ταχύτητα του αέρα σε απόσταση Ζ από την επιφάνεια της γης, m/s

U10: ταχύτητα του αέρα σε απόσταση 10 m από την επιφάνεια της γης, m/s

ρ: συντελεστής που παίρνει τιμές 0,141< ρ <0,414 , ρ = 0,2

Η συνηθισμένη τιμή του U10 είναι 5 m/s. Η τιμή του ρ εξαρτάται από τον τύπο

του κλίματος και των καιρικών συνθηκών που επικρατούν στην περιοχή. Κάθε

περιοχή κατατάσσεται σε μία κατηγορία (Α - F) ανάλογα με την σταθερότητα

του κλίματος της, εάν είναι αγροτική ή αστική, καθώς και από πληθώρα άλλων

παραγόντων. Αυτή η κατηγορία κατάταξης της καθορίζει την τιμή του ρ.

Θεωρείται ότι η περιοχή ανέγερσης της μονάδας κατατάσσεται στην κατηγορία



D, δεδομένου ότι βρίσκεται μεταξύ ορίων αστικής και αγροτικής περιοχής και

κοντά σε θάλασσα.

5)Το αποτελεσματικό ύψος της καμινάδας σύμφωνα με όλα τα

παραπάνω εμφανίζεται αυξημένο έναντι του πραγματικού κατά τον όρο Δh.

Οπότε, δίνεται από την παρακάτω σχέση:

sH H h (12.5)

όπου,

Η: αποτελεσματικό ύψος της καμινάδας, m

6)Για τον υπολογισμό της συγκέντρωσης των ρυπαντών σε οποιοδήποτε

σημείο της ατμόσφαιρας χρησιμοποιείται η εξίσωση κατανομής του Gauss:

2 2 2

1 1 1, , exp exp exp

2 2 2 2y z y z z

Q y z H z HC x y z

U

(12.6)

όπου,

x,y,z: συντεταγμένες του σημείου υπολογισμού της συγκέντρωσης των ρύπων

θεωρώντας: x = 0 στην καμινάδα

y = 0 στο κέντρο των απαερίων

z = 0 στο έδαφος

Q : μαζικός ρυθμός ροής των ρυπαντών, g/s

C : συγκέντρωση των ρυπαντών στο σημείο (x,y,z), g/m3

σy, σz: συντελεστές διάχυσης, m

Οι συντελεστές διάχυσης σy και σz, δίνονται από κατάλληλα διαγράμματα

συναρτήσει της απόστασης x για κάθε κατηγορία (Α - F) μετεωρολογικής

κατάταξης μιας περιοχής (καμπύλες Pasquill - Gifford)[27].

7)Η μέγιστη συγκέντρωση των ρυπαντών στο έδαφος (z = 0) εμφανίζεται

στο κέντρο των απαερίων (y = 0) και προσδιορίζεται από την εξίσωση:

2

1exp

2y z z

Q HC x

U

(12.7)



Η μέγιστη επιτρεπτή συγκέντρωση του εδάφους σε ρύπους για διάφορες

αποστάσεις x από την περιοχή της βιομηχανικής μονάδας, καθορίζεται μέσω

προεδρικών διαταγμάτων στα οποία οφείλουν να υπακούσουν οι βιομηχανίες.

12.3 Κοστολόγηση της καμινάδας

Σαν υλικό κατασκευής της καμινάδας επιλέγεται ο ανθρακοχάλυβας, κυρίως

για λόγους αντοχής σε υψηλές θερμοκρασίες. Το κόστος αγοράς μιας

καμινάδας από ανθρακοχάλυβα είναι 0,97 $/lb (1988). Το βάρος της

καμινάδας υπολογίζεται σύμφωνα με την πιο κάτω σχέση[37]:

36,8 sW D H (12.8)

όπου,

W: βάρος της καμινάδας, lb

D: διάμετρος της καμινάδας, ft

Hs : ύψος της καμινάδας, ft

Το κόστος αγοράς διορθώνεται για κάθε έτος με τη βοήθεια των δεικτών του

περιοδικού Chemical Engineering και πολλαπλασιάζεται με το συντελεστή

εγκατάστασης για να δώσει το κόστος αγοράς και εγκατάστασης της

καμινάδας.



ΚΕΦΑΛΑΙΟ 13ο : ΠΥΡΓΟΣ ΨΥΞΗΣ

13.1 Γενικά

Το ψυκτικό μέσο που χρησιμοποιείται στη διεργασία είναι το νερό επειδή

μπορεί να διατεθεί σε μεγάλες ποσότητες με μικρό κόστος, έχει αρκετά

υψηλούς συντελεστές μεταφοράς θερμότητας και οι θερμοκρασίες της

διεργασίας επιτρέπουν τη χρήση του. Το νερό στην υπό μελέτη μονάδα

χρησιμοποιείται στον εναλλακτη ψύξης.

Το κύκλωμα ψύξης της μονάδας είναι ημιανοικτό, δηλαδή το νερό ψύχεται

μερικώς με τη βοήθεια ανεμιστήρα στον πύργο ψύξης στον οποίο εξατμίζεται

και στη συνέχεια επανακυκλοφορεί στη διεργασία. Το κύκλωμα αποτελείται

από τον πύργο ψύξης, τον ανεμιστήρα, τις αντλίες για τη μεταφορά του νερού

και τις σωληνώσεις μέσα στις οποίες θα κυκλοφορεί το νερό.

Ο πύργος ψύξης της μονάδας είναι εξ' επαγωγής ελκυσμού κατ' αντιρροή. Ο

αέρας δηλαδή που κυκλοφορεί μέσα σε αυτόν παρέχεται με μηχανικά μέσα.

Αυτό πραγματοποιείται με τη βοήθεια ενός ανεμιστήρα, ο οποίος βρίσκεται

στην κορυφή του πύργου και φροντίζει ώστε ο αέρας να παρέχεται με την

απαραίτητη ταχύτητα σε αντιρροή με το νερό. Για να αυξηθεί η επιφάνεια

επαφής αέρα - νερού μέσα στον πύργο χρησιμοποιείται πληρωτικό υλικό, το

οποίο στην περίπτωση μας είναι ξύλινες λεπτές σανίδες σε τριγωνική διάταξη

(το πιο συνηθισμένο και οικονομικό είδος πληρωτικού υλικού για τους

πύργους ψύξης)[38][32].

Η μελέτη αυτή περιορίζεται στο σχεδιασμό και στην κοστολόγηση του

ψυκτικού πύργου και του ανεμιστήρα. Τα ετήσια λειτουργικά έξοδα

περιλαμβάνουν το νερό που απαιτείται για την ανανέωση των απωλειών από

το κύκλωμα, την κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας από τον ανεμιστήρα και

τις αντλίες καθώς επίσης και τα έξοδα συντήρησης.

13.2 Σχεδιασμός πύργου ψύξης

Ο σχεδιασμός του ψυκτικού πύργου είναι παρόμοιος με αυτόν που

χρησιμοποιείται στις στήλες απορρόφησης με πληρωτικό υλικό. Υπολογίζεται

δηλαδή το ύψος του πληρωτικού υλικού (NTU και HTU) και η απαιτούμενη

ροή αέρα. Γνωστές μεταβλητές είναι η ροή του νερού (το νερό που απαιτείται



στους εναλλάκτες και στον συμπυκνωτή) και οι θερμοκρασίες εισόδου και

εξόδου του.

Οι εξισώσεις που χρησιμοποιούνται βασίζονται στη θεωρία του Markel και

φαίνονται παρακάτω. Για το σχεδιασμό του πύργου ψύξης ακολουθείται ο πιο

κάτω αλγόριθμος[1][32][38].

1. Αρχικά υπολογίζεται η απαιτούμενη ροή αέρα σύμφωνα με τη σχέση:

0,75 / 1,5L G (13.1)

όπου,

L: ροή του νερού, lb/s

G: ροή του αέρα, lb/s

2. Η ενθαλπία του εξερχόμενου αέρα υπολογίζεται από το ισοζύγιο

ενθαλπιών:

1 2 2 1waterL Cp T T G h h (13.2)

όπου,

h1 : ενθαλπία εισόδου του αέρα, Btu/lb είναι ίση με 27,16 Btu/lb για

θερμοκρασία υγρού θερμομέτρου Twb=53°F)

h2 : ενθαλπία του εξερχόμενου αέρα, Btu/lb

Cpwater : ειδική θερμότητα του νερού, Btu/lb°F (για το νερό είναι ίσο με 1)

Τ1 : θερμοκρασία εισόδου του νερού, (= 87 °F)

Τ2 : θερμοκρασία εξόδου του νερού, (= 60 °F)

3. Ο αριθμός των μονάδων μεταφοράς NTU δίνεται από το ολοκλήρωμα:

2

1

T

w aT

dTNTU

h h (13.3)

όπου,

NTU: αριθμός μονάδων μεταφοράς

hw: ενθαλπία μίγματος αέρα - νερού σε θερμοκρασία νερού, Btu/lb ξηρού αέρα

ha: ενθαλπία μίγματος αέρα - νερού σε θερμοκρασία υγρού θερμομέτρου,

Btu/lb ξηρού αέρα.



Το παραπάνω ολοκλήρωμα υπολογίζεται με τη βοήθεια της αριθμητικής

μεθόδου Chebyshev σύμφωνα με τον τύπο:

1 2

1 2 3 4

1 1 1 1

4

T TNTU

h h h h

(13.4)

όπου,

Δh1: τιμή της hw - ha σε Τ2 + 0,1(Τ1-Τ2)

Δh2: τιμή της hw - ha σε Τ2 + 0,4(Τ1-Τ2)

Δh3: τιμή της hw - ha σε Τ1 - 0,4(T1-T2)

Δh4: τιμή της hw - ha σε Τ1 - 0,1(Τ1-Τ2)

Τα hw για κάθε θερμοκρασία υπολογίζονται από πίνακες της

βιβλιογραφίας[32] ενώ τα ha από τις σχέσεις:

1 1 1 2

2 1 1 2

3 2 1 2

4 2 1 2

0,1 13.5

0, 4 13.6

0, 4 13.7

0,1 13.8

a

a

a

a

Lh h T T

G

Lh h T T

G

Lh h T T

G

Lh h T T

G

4. Το ύψος της μονάδας μεταφοράς HTU υπολογίζεται ως εξής:

0,59

5,51L

HTUG

(13.9)

όπου,

HTU: ύψος της μονάδας μεταφοράς, ft

5. Το ύψος του πληρωτικού υλικού δίνεται από την πιο κάτω σχέση:

NTU HTUZ

E

(13.10)

όπου,

Ζ: ύψος του πληρωτικού υλικού, ft

Ε: απόδοση του πύργου (τη θεωρούμε 0,8 για την περίπτωση πληρωτικού

υλικού)



6. Οι απώλειες του νερού λόγω εξάτμισης υπολογίζονται ως εξής:

1 20,00085e CW W T T (13.11)

όπου,

WC: παροχή του νερού, gal/min

We: απώλειες νερού λόγω εξάτμισης, gal/min

7. Οι απώλειες του νερού λόγω συμπαρασυρμού είναι το 0,001 της

παροχής του νερού στον ψυκτικό πύργο:

0,001d CW W (13.12)

όπου,

Wd: απώλειες νερού λόγω συμπαρασυρμού, gal/min

8. Οι απώλειες του νερού για την ελάττωση της συγκέντρωσης των

αλάτων σε αυτό:

1e

b

WW

s

(13.13)

όπου,

Wb: ροή απομάστευσης, gal/min

s: λόγος της συγκέντρωσης των αδιάλυτων στερεών του νερού που

ανακυκλοφορεί προς τη συγκέντρωση των αδιάλυτων στερεών στο νερό

αναπλήρωσης. Ο λόγος αυτός παίρνει κανονικά τιμές από 3 ως 5 (το s

θεωρείται ίσο με 4)

9. Οι συνολικές απώλειες νερού υπολογίζονται ως εξής:

m b d eW W W W (13.14)

όπου,

Wm: συνολικές απώλειες του νερού, gal/min

13.3 Κοστολόγηση πύργου ψύξης και ανεμιστήρα

Πύργος ψύξης

Το κόστος του ψυκτικού πύργου υπολογίζεται από την πιο κάτω εξίσωση:

0,61135C f Q (13.15)



όπου,

f: συντελεστής που εξαρτάται από τη μείωση της θερμοκρασίας του προς

ψύξη νερού (γιαΔΤ=15°C, f=2)

Q: ογκομετρική παροχή του προς ψύξη νερού, kgal/min

C: κόστος του πύργου

Η παραπάνω σχέση διορθώνεται για κάθε έτος με τη βοήθεια των δεικτών

του περιοδικού Chemical Engineering και πολλαπλασιάζεται με το συντελεστή


συσκευής.

Ανεμιστήρας

Το κόστος του ανεμιστήρα δίνεται από τη σχέση :

2exp 0,4456 0, 2211 1 0,0820 1f m p a aC f f n Q n Q (13.16)

όπου,

fm: συντελεστής εγκατάστασης για carbon steel (fm = 2,2)

fp: συντελεστής πίεσης (για πίεση 1 Kpa, fp = 1)

Cf: κόστος του ανεμιστήρα εγκατεστημένου, $

Qa: ογκομετρική παροχή του αέρα, KSCFM

Η παραπάνω σχέση να διορθώνεται για κάθε έτος με τη βοήθεια των δεικτών

του περιοδικού Chemical Engineering και πολλαπλασιάζεται με το συντελεστή


συσκευής.

13.4 Λειτουργικές δαπάνες πύργου ψύξης και ανεμιστήρα

Πύργος ψύξης

Οι λειτουργικές δαπάνες στον πύργο ψύξης είναι το κόστος του νερού

αναπλήρωσης το οποίο πρέπει να είναι ίσο με τις συνολικές απώλειες που

έχουν υπολογιστεί με τη σχέση (13.14).



Ανεμιστήρας

Η καταναλισκόμενη ισχύς στον ανεμιστήρα υπολογίζεται από την

εξίσωση[32]:

62 2,52 10 aP Q P dw (13.17)

όπου,

Ρ: καταναλισκόμενη ισχύς του ανεμιστήρα, HP

Qa: ογκομετρική παροχή του αέρα, ft3/min

Ρ: πίεση λειτουργίας , in H2O

dw: πυκνότητα του νερού σε lb/ft3



14. ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΑΕΡΙΩΝ

14.1 Γενικά

Οι συμπιεστές, οι ανεμιστήρες και οι φυσητήρες είναι διατάξεις που

χρησιμοποιούνται για τη μεταφορά και τη συμπίεση των αερίων. Τα

μηχανήματα συμπίεσης, εκτός από τη χρησιμότητα τους για μεταφορά αερίων

και για παροχή αέρα έχουν επίσης και άλλες σπουδαίες εφαρμογές, όπως η

δημιουργία υψηλών πιέσεων αναγκαίων για αντιδράσεις μεταξύ αερίων.

Η επιλογή της συσκευής συμπίεσης που πρέπει να χρησιμοποιηθεί γίνεται με

βάση το έργο συμπίεσης που πρέπει να αποδίδει η συσκευή, τον λόγο

Ρκατάθλιψης/Ραναρρόφησης και τη μέγιστη πίεση που αναπτύσσεται στο σύστημα. Ο

διαχωρισμός αυτός φαίνεται αναλυτικότερα στον παρακάτω πίνακα.

Πίνακας 14.1: Διαχωρισμός μηχανημάτων μεταφοράς και συμπίεσης αερίων

Μέγεθος Είδος μηχανήματος

Συμπιεστές Φυσητήρες Ανεμιστήρας

Ισχύς, KJ/Kg αερίου 100 - 1.300 10 - 160 <10

Ρκατάθλιψης/Ραναρρόφησης 3 - 1.000 1,1 - 3 1 – 1,1

Μέγιστη Ρκατάθλιψης, KPa 400 - 100.000 110 - 400 103 - 110

Σύμφωνα με τον πιο πάνω πίνακα επιλέγονται ως μηχανήματα συμπίεσης οι

φυσητήρες. Συγκεκριμένα χρησιμοποιούνται 6 φυσητήρες οι οποίοι έχουν

σκοπό τη συμπίεση των ρευμάτων εξόδου των εναλλακτών και το ρεύμα

εξόδου του αντιδραστήρα αναμόρφωσης, όπως και το ρεύμα εξόδου από το

δεύτερο αντιδραστήρα μετατροπής CO.

14.2 Σχεδιασμός φυσητήρων

Ο σχεδιασμός των φυσητήρων γίνεται με την ακόλουθη διαδικασία:

1. Το έργο συμπίεσης που προσδίδεται από ένα μηχάνημα συμπίεσης

ανά μονάδα μάζας ενός αερίου, δίνεται από τη σχέση:



2

1

P

s

P

W VdP (14.1)

όπου,

ΔWS: έργο συμπίεσης ανά μονάδα μάζας ενός αερίου, kj/kg

V: ειδικός όγκος αερίου, m3/kg

Ρ2: πίεση στην κατάθλιψη, Pa

P1: πίεση στην αναρρόφηση, Pa

Για τον υπολογισμό του συγκεκριμένου έργου μπορούμε να θεωρήσουμε ότι η

μεταβολή του αερίου είναι ισόθερμη ή αδιαβατική ανάλογα με την περίσταση.

Κάτι τέτοιο όμως μόνο θεωρητικά μπορεί να επιτευχθεί. Στη πράξη η

συμπίεση ενός πραγματικού αερίου δεν είναι ούτε ισόθερμη ούτε αδιαβατική

αλλά κάτι μεταξύ των δύο αυτών μεταβολών και ονομάζεται πολυτροπική[6].

2. Το πολυτροπικό έργο συμπίεσης υπολογίζεται από την πιο κάτω

εξίσωση:

1

21 1

1

11

K

KPkW P V

k P

(14.2)

όπου,

ΔWπολ: πολυτροπικό έργο συμπίεσης, J/s

k: πολυτροπικός συντελεστής, k = 1,3

V1: ογκομετρική παροχή αερίου, m3/s

3. Η καταναλισκόμενη ισχύς του φυσητήρα δίνεται από τη σχέση:

a

WP

n

(14.3)

όπου,

Ρ: καταναλισκόμενη ισχύς, W

na: συντελεστής απόδοσης



14.3 Κοστολόγηση φυσητήρων

Η κοστολόγηση των φυσητήρων έγινε με την βοήθεια εξισώσεων κόστους

από τη βιβλιογραφία[38].

Κόστος φυσητήρα

0,81310C P (14.4)

όπου,

Cφυσητήρα: κόστος αγοράς φυσητήρα, $

Ρκατ: καταναλισκόμενη ισχύς, hp

Το πάγιο κόστος των φυσητήρων, βρίσκεται με αναγωγή με τους δείκτες του

περιοδικού Chemical Engineering και πολλαπλασιάζεται με τον συντελεστή

εγκατάστασης (F1=1,5) για να δώσει το κόστος αγοράς και εγκατάστασης του.

Λειτουργικές δαπάνες

8320C P H (14.5)

όπου,

Cλ: ετήσιο λειτουργικό κόστος, €

Pκατ: καταναλισκόμενη ισχύς, kW

Η: τιμή κιλοβατώρας, € / kWh



ΚΕΦΑΛΑΙΟ 15ο : ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΥΓΡΩΝ

15.1 Γενικά

Για την μεταφορά των υγρών πρώτων υλών από την αποθήκευση στην κύρια

μονάδα παραγωγής χρησιμοποιούνται φυγοκεντρικές αντλίες αξονικής ροής

(centrifugal axial pump). Αυτό το είδος των αντλιών είναι το πιο συχνά

χρησιμοποιούμενο στις βιομηχανίες, επειδή είναι απλές όσον αφορά την

κατασκευή τους, έχουν χαμηλό πάγιο κόστος και χαμηλό κόστος συντήρησης.

Τα κύρια μέρη μιας φυγοκεντρικής αντλίας είναι η πτερωτή και ο άξονας που

είναι περιστρεφόμενα, καθώς επίσης το κέλυφος ή περίβλημα και το σύστημα

στεγανοποίησης μεταξύ άξονα και κελύφους, που είναι ακίνητα. Με τη

στεγανοποίηση του διακένου μεταξύ του περιστρεφόμενου άξονα και του

ακίνητου κελύφους, εμποδίζεται η διαρροή υγρού από την αντλία στο

περιβάλλον και επίσης εμποδίζεται η είσοδος αέρα στην αντλία.

Στις φυγοκεντρικές αντλίες με τη βοήθεια μιας πτερωτής ακτινικής ροής, το

μανομετρικό ύψος (ή η ενέργεια) προσδίδεται στο υγρό με φυγοκεντρική

δράση. Το υγρό εισέρχεται στην αντλία εξαιτίας της υποπίεσης που

δημιουργείται στην αναρρόφηση κατά την περιστροφή της πτερωτής. Στη

συνέχεια, κατά την διαδρομή του υγρού από την πτερωτή προς την

κατάθλιψη, το μανομετρικό ύψος ταχύτητας που προσδίδεται στο υγρό από τη

πτερωτή μετατρέπεται σε μανομετρικό ύψος πίεσης.

15.2 Σχεδιασμός των φυγοκεντρικών αντλιών

Το αντλητικό σύστημα μπορεί να διαχωριστεί στο τμήμα αναρρόφησης και

στο τμήμα κατάθλιψης. Το τμήμα αναρρόφησης περιλαμβάνει ότι περιέχεται

μεταξύ της θέσης (1) και του στομίου αναρρόφησης της αντλίας, ενώ το τμήμα

κατάθλιψης περιλαμβάνεται μεταξύ της εξόδου της αντλίας και της θέσης (2).

Με εφαρμογή του ισοζυγίου ενέργειας μεταξύ των θέσεων εισόδου και εξόδου

του συστήματος και ορισμό ως επιπέδου μηδενικής δυναμικής ενέργειας του

οριζόντιου επίπεδου που διέρχεται από τη θέση της αντλίας, προκύπτει για το

ολικό μανομετρικο ύψος της αντλίας Δh, η εξίσωση[6]:

2 22 2 2 1 1 1/ / 2 / / 2 fh z P g u g z P g u g h (15.1)



όπου,

Z2 : η απόσταση του σημείου 2 από την αντλία, m

Z1: η απόσταση του σημείου 1 από την αντλία, m

Ρ2: η πίεση στο σημείο 2, atm

P1: η πίεση στο σημείο 1, atm

ρ: η πυκνότητα του υγρού, kg/m3

u2: η ταχύτητα του υγρού στη θέση 2, m/s

u1: η ταχύτητα του υγρού στη θέση 1, m/s

Δh: το ολικό μανομετρικό ύψος που αναπτύσσει η αντλία, m

hf: οι απώλειες μανομετρικού ύψους από τριβές σε ευθύγραμμα τμήματα

κυλινδρικού αγωγού, m

Το hf υπολογίζεται από την παρακάτω σχέση που είναι γνωστή ως εξίσωση

του Darcy:

2

2f D

L uh f

D g (15-2)

όπου,

u: η ταχύτητα του υγρού, m/s

D: η διάμετρος της σωλήνωσης, m

L: το μήκος της σωλήνωσης, m

fD: ο συντελεστής Darcy

Για τον υπολογισμό του hf πρέπει πρώτα να υπολογισθεί ο αριθμός NRe =

uDρ/μ και κατόπιν με τη χρήση διαγραμμάτων Moody, θεωρώντας ότι ο

αγωγός είναι λείος, να υπολογισθεί το fD και να αντικατασταθεί στην

παραπάνω σχέση.

Η διαφορά πίεσης ΔΡ μεταξύ κατάθλιψης και αναρρόφησης της αντλίας

εξαρτάται από την πυκνότητα του υγρού και δίνεται από την παρακάτω

σχέση:

B AP P P g h (15.3)

Το ολικό μανομετρικό ύψος αντλίας Δh είναι το ωφέλιμο μανομετρικό ύψος

ανά μονάδα μάζας που απαιτεί το αντλητικό σύστημα για να λειτουργήσει.

Επομένως, η απαιτούμενη από το σύστημα ωφέλιμη ισχύς Ρωφ είναι:



h g Q (15.4)

όπου,

Ρωφ: η ωφέλιμη ισχύς, W

Q: η ογκομετρική παροχή του υγρού, m3/s

Ρ: η πυκνότητα του υγρού, kg/m3

Αν n ο συντελεστής απόδοσης της αντλίας, τότε η αξονική ισχύς, Ραξ, που

καταναλώνει η

αντλία, δηλαδή η ισχύς που αποδίδεται στον άξονα της αντλίας από κάποιο

κινητήρα

είναι:

h g Q

n

(15-5)

όπου,

Ραξ: η αξονική ισχύς, W

Q: η ογκομετρική παροχή του υγρού, m3/s

Ρ: η πυκνότητα του υγρού, kg/m3

n: ο συντελεστής απόδοσης της αντλίας

Συνήθεις τιμές της απόδοσης της αντλίας κυμαίνονται από 60% - 80%.

Μία τυπική ελάχιστη τιμή της ταχύτητας ροής είναι 1,0 m/s.

Γνωρίζοντας την ταχύτητα ροής u (m/s) και την ογκομετρική παροχή του

υγρού Q (m3/s)

μπορεί να υπολογισθεί η διάμετρος της σωλήνωσης D (m) από την σχέση:

4QD

U (15.6)

15.3 Κοστολόγηση αντλητικού συστήματος

Η κοστολόγηση του αντλητικού συστήματος γίνεται λαμβάνοντας υπόψη τα

επί μέρους κόστη των σωληνώσεων, των βανών και των αντλιών. Οι

εξισώσεις κόστους αυτών παρατίθενται πιο κάτω και πολλαπλασιάζονται με

το συντελεστή αγοράς και εγκατάστασης και διορθώνονται για κάθε έτος

σύμφωνα με τους δείκτες του περιοδικού Chemical Engineering.



Κόστος αντλιών

0,6.2630aC P (15.7)

όπου,

Ρωφ: ωφέλιμη ισχύς, hp

Ca: κόστος αντλίας, $



ΚΕΦΑΛΑΙΟ 16ο : ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ

16.1 Εισαγωγή

Το πρώτο στάδιο κατά το σχεδιασμό των δεξαμενών αποθήκευσης των

προϊόντων μιας διεργασίας αποτελεί η επιλογή του τύπου των δεξαμενών

αυτών. Οι παράγοντες που καθορίζουν την παραπάνω επιλογή είναι οι εξής:

οι συνθήκες αποθήκευσης

η ενδεχόμενη τοξικότητα των προϊόντων

η παραγόμενη ποσότητα του προϊόντος σε κάποιο ορισμένο χρονικό

διάστημα

το μέγεθος και το σχήμα της δεξαμενής που θα χρησιμοποιηθεί

η λειτουργικότητα της στο χώρο της μονάδας

το υλικό κατασκευής τόσο αυτής όσο και των σωληνώσεων

οι περιορισμοί που επιβάλλονται απ 'την ισχύουσα νομοθεσία του κάθε

κράτους

16.2 Δεξαμενές Αποθήκευσης

Στην υποενότητα αυτή αναφέρονται οι πιο χαρακτηριστικές κατηγορίες των

χρησιμοποιούμενων αποθηκευτικών δεξαμενών, καθώς και τα κριτήρια

ταξινόμησης τους.

Οριζόντιες και Κατακόρυφες Δεξαμενές

Ένα κριτήριο ταξινόμησης των δεξαμενών έχει να κάνει με το αν αυτές είναι

εγκατεστημένες οριζόντια ή κατακόρυφα.

Οι τυποποιημένες οριζόντιες δεξαμενές έχουν χωρητικότητα της τάξης των

132m3. Συνήθως στηρίζονται σε χαλύβδινες κατασκευές ή σε βάσεις

σχήματος «σαμαριού», ενώ τοποθετούνται σε ύψος 1,8 - 3 m.

Οι κατακόρυφες δεξαμενές επιφανείας έχουν συνήθως κωνικές ή

ελλειψοειδείς κεφαλές. Όταν έχουν πεπλατυσμένες βάσεις στηρίζονται σε

θεμέλια με ελαιώδη άμμο.



Υπόγειες (UST) και Υπέργειες (AST) Δεξαμενές

Ένα δεύτερο κριτήριο ταξινόμησης των δεξαμενών αποθήκευσης έχει να κάνει

με το αν αυτές είναι εγκατεστημένες υπογείως ή έξω απ 'τη γη.

Οι υπόγειες δεξαμενές (UST) χρησιμοποιούνται κυρίως σε περιπτώσεις

εύφλεκτων συστατικών, διότι ελαχιστοποιούν τον κίνδυνο πυρκαγιάς.

Επιπλέον η θερμοκρασία των αποθηκευμένων προϊόντων σε αυτές

διατηρείται σταθερή. Τα μειονεκτήματα που παρουσιάζουν όμως είναι ότι

έχουν δύσκολη πρόσβαση, υψηλό κόστος συντήρησης και επισκευών, ενώ

απαιτούν δεύτερο προστατευτικό περίβλημα πάνω στην επιφάνεια της κύριας

δεξαμενής.

Στον αντίποδα, στις υπέργειες δεξαμενές (AST) υπάρχει εύκολη πρόσβαση

τόσο σε αυτές όσο και στον βοηθητικό εξοπλισμό τους. Έτσι διευκολύνονται οι

διαδικασίες επίβλεψης και συντήρησης τους, με αποτέλεσμα οι δεξαμενές

αυτές να χρησιμοποιούνται ευρύτερα στη βιομηχανία.

Ανοιχτές και Κλειστές Δεξαμενές

Τέλος, οι δεξαμενές αποθήκευσης ταξινομούνται ανάλογα με το αν είναι

ανοιχτές ή κλειστές.

Οι ανοιχτές δεξαμενές συνήθως χρησιμοποιούνται σαν ενδιάμεσα δοχεία μιας

παραγωγικής διαδικασίας, σαν δοχεία ανάμιξης ή σαν δοχεία κατακράτησης.

Επιπλέον προσφέρονται και για την αποθήκευση μεγάλων ποσοτήτων

υδατικών διαλυμάτων χαμηλής συγκέντρωσης. Αποτελούν την πιο απλή

μορφή δεξαμενής, ενώ είναι και οικονομικές λόγω των φθηνών υλικών

κατασκευής τους, αφού κατασκευάζονται από ανθρακοχάλυβα, μπετόν και σε

ορισμένες περιπτώσεις ακόμα κι από ξύλο.

Οι κλειστές δεξαμενές χρησιμοποιούνται για την αποθήκευση εύφλεκτων

διαλυμάτων και διαλυμάτων που εκπέμπουν τοξικά αέρια, καθώς και για την

αποθήκευση αερίων.

Διακρίνονται σε:

α) Σφαιρικές, οι οποίες είναι οι πλέον κατάλληλες για αποθήκευση υπό πίεση

και σε μεγάλες ποσότητες. Οι συνθήκες που συνήθως επικρατούν στις

δεξαμενές αυτές είναι τέτοιες, ώστε ακόμα και τα αέρια να είναι υγροποιημένα.

Ο λόγος για τον οποίο επιλέγονται τέτοιου είδους δεξαμενές για την



αποθήκευση των υπό πίεση αερίων είναι ότι το σφαιρικό σχήμα παρουσιάζει

τη μέγιστη αντοχή στις υψηλές πιέσεις σε σχέση με όλα τα άλλα γεωμετρικά

σχήματα. Επίσης, όσο αυξάνει η χωρητικότητα τους τόσο δυσκολότερη γίνεται

η διατήρηση της εσωτερικής τους πίεσης σε σταθερή τιμή, όταν αυτή είναι

διάφορη της ατμοσφαιρικής. Η χωρητικότητα τους ποικίλει μεταξύ των τιμών

160 - 4000m3 ενώ η εσωτερική τους πίεση μεταξύ 0,7 - 14 atm. Γενικά

αποτελούν την οικονομικότερη λύση για αποθήκευση μεγάλων ποσοτήτων.

Μια τροποποιημένη μορφή τους είναι οι ελλειψοειδείς δεξαμενές, οι οποίες

έχουν χωρητικότητα έως και 8800m και δυνατή αποθήκευση σε πίεση μέχρι

και 5 atm.

β) Κυλινδρικές με μορφοποιημένα άκρα, οι οποίες εγκαθίστανται οριζοντίως ή

καθέτως. Οι δεξαμενές αυτές χρησιμοποιούνται κυρίως για την αποθήκευση

αερίων υπό πίεση, ενώ σε ορισμένες περιπτώσεις και για την αποθήκευση

υγρών. Τα άκρα (καπάκια) τους μπορεί να έχουν μορφή σφαιρική, ελλειπτική

ή και κωνική. Η διάμετρος τους μπορεί να ξεπεράσει τα 10.7m (35 ft) και το

μήκος τους τα 61m (200 ft). Η εγκατάσταση μιας κάθετης δεξαμενής

προσφέρεται για αποθήκευση όγκου 190m3 (50000 gal) ή και περισσοτέρων.

Γενικά έχουν απλή κατασκευή και λεπτά τοιχώματα, γεγονός που τις

κατατάσσει σαν μία απ 'τις πλέον οικονομικές λύσεις. Αντιθέτως οι οριζόντιες,

λόγω της κατασκευής τους, έχουν μεγαλύτερη ανθεκτικότητα και

παρουσιάζουν πολλαπλές εφαρμογές. Χρησιμοποιούνται για την αποθήκευση

υγρών με υψηλή τάση ατμών, υγροποιημένων αερίων και αερίων υπό πίεση.

γ) Κυλινδρικές με επίπεδη βάση, οι οποίες μπορεί να έχουν οροφή κωνική ή

με σχήμα τρούλου. Οι κυλινδρικές δεξαμενές με επίπεδη βάση και κωνική

οροφή αποτελούν την οικονομικότερη λύση για αποθήκευση υλικών στην

ατμοσφαιρική πίεση. Ανάλογα με τη διάμετρο τους η στήριξη της οροφής τους

υποβοηθάται με κατάλληλες δοκούς. Για παράδειγμα δεξαμενές διαμέτρου

μικρότερης των 7,5m δε χρειάζονται δοκό στήριξης, ενώ αυτές διαμέτρου

μεγαλύτερης των 14,5m απαιτούν τουλάχιστον μία δοκό για την ασφαλή

στήριξη της οροφής τους. Στις περιπτώσεις αυτές συνήθως η οροφή είναι

πολλαπλά στηριζόμενη ή σχεδόν επίπεδη και πλωτή, έτσι ώστε να

μετακινείται ανάλογα με το ύψος του υγρού στη δεξαμενή[38].



16.3 Αποθήκευση Υδρογόνου

16.3.1 Γενικά

Η πυκνότητα του υδρογόνου σε κανονικές συνθήκες είναι 0,0899gr/lt, δηλαδή

14,4 φορές μικρότερη από αυτή του αέρα. Κατά συνέπεια ο συντελεστής

διάχυσης του είναι 0,61cm3/sec. Επιπλέον αντιδρά με υλικά όπως οι χάλυβες

υψηλής ποιότητας με αποτέλεσμα να τους καθιστά εύθραυστους, ενώ

υγροποιείται στους -253°C. Οι λόγοι αυτοί κάνουν την αποθήκευση του

υδρογόνου μία όχι και τόσο απλή υπόθεση. Παρ 'όλα αυτά έχουν αναπτυχθεί

αρκετές μέθοδοι αποθήκευσης που χρησιμοποιούνται σε διάφορες

εφαρμογές, κάποιες δοκιμασμένες κι άλλες που βρίσκονται σε πειραματικό

στάδιο, οι οποίες παρουσιάζονται συνοπτικά στη συνέχεια.

16.3.2 Μέθοδοι Αποθήκευσης Υδρογόνου

Αποθήκευση Υπό Πίεση σε Αέρια Κατάσταση

Η αποθήκευση του υδρογόνου σε αέρια κατάσταση και υπό πίεση είναι ο

πλέον συνηθισμένος τρόπος αποθήκευσης μεγάλων ποσοτήτων υδρογόνου.

Για τη μέθοδο αυτή οι συνηθέστερα χρησιμοποιούμενες δεξαμενές είναι της

τάξης μεγέθους των 710 - 5100m3, ενώ η πίεση που αναπτύσσεται εντός τους

είναι της τάξης των 150 - 400 atm. Μία επιπλέον όμως δυνατότητα που

υπάρχει είναι αυτή κατά την οποία το πεπιεσμένο αέριο υδρογόνο

διοχετεύεται σε υπόγεια σπήλαια, όπου κατά το παρελθόν υπήρχαν

εγκλωβισμένες ποσότητες (κοιτάσματα) φυσικού αερίου. Τα σπήλαια αυτά

περιβάλλονται από πορώδη πετρώματα τα οποία είναι κορεσμένα με νερό

ώστε να αποφεύγονται οι διαρροές.

Γενικά η μέθοδος αυτή ενδείκνυται για αποθήκευση υδρογόνου μικρής

διάρκειας. Θεωρείται η οικονομικότερη μέθοδος όταν ο χρόνος αποθήκευσης

του παραγομένου αερίου είναι μικρότερος των τριάντα ωρών. Το βασικό

μειονέκτημα που έχει είναι ότι λόγω των υψηλών εσωτερικών πιέσεων που

αναπτύσσονται στις δεξαμενές υπάρχουν προβλήματα που έχουν να κάνουν

με την ασφάλεια. Στον αντίποδα όμως έχει το πλεονέκτημα ότι η θερμοκρασία

αποθήκευσης είναι αυτή του περιβάλλοντος. Συνεπώς δεν απαιτείται



επιπλέον εξοπλισμός π.χ. ψύξης του αερίου ή διατήρησης του σε μια

ορισμένη θερμοκρασία, γεγονός που συμβάλλει θετικά τόσο στη μείωση του

κόστους όσο και στην απλούστευση της κατασκευής.

Αποθήκευση σε Υγρή Μορφή

Η αποθήκευση του υδρογόνου σε υγρή μορφή - όπως και αυτή υπό πίεση σε

αέρια κατάσταση - είναι μια καθιερωμένη μέθοδος, λόγω του ότι

χρησιμοποιείται στα διαστημικά προγράμματα.

Η υγροποίηση του υδρογόνου είναι μια αρκετά πολύπλοκη διαδικασία που

απαιτεί συμπιεστές, εναλλάκτες θερμότητας, μηχανές εκτόνωσης και βαλβίδες

πνιγμού. Κατά τη μέθοδο αυτή χρησιμοποιούνται σφαιρικές δεξαμενές από

χάλυβα ή αλουμίνιο με διπλά τοιχώματα, οι οποίες έχουν τη δυνατότητα

αποθήκευσης μέχρι και 900000kg υδρογόνου. Μεταξύ των τοιχωμάτων

υπάρχει υψηλό κενό αέρος ώστε να επιτυγχάνεται καλή θερμομόνωση, διότι

το υγρό υδρογόνο διατηρείται στους -253°C. Με την αποθήκευση του

υδρογόνου σε υγρή μορφή επιτυγχάνεται οικονομία χώρου. Μια ποσότητα

υδρογόνου σε υγρή φάση καταλαμβάνει περίπου 80% μικρότερο όγκο από

την αντίστοιχη στην αέρια φάση υπό πίεση. Για το λόγο αυτό εξάλλου η

συγκεκριμένη μέθοδος χρησιμοποιείται στα διαστημικά προγράμματα.

Επίσης, η αποθήκευση σε υγρή μορφή θεωρείται η οικονομικότερη λύση για

αποθήκευση μακράς διαρκείας. Στον αντίποδα, το σημαντικότερο μειονέκτημα

της μεθόδου έχει να κάνει με τη χαμηλή θερμοκρασία υγροποίησης του

(-253°C). Συγκεκριμένα για την αποθήκευση μιας ορισμένης ποσότητας

υδρογόνου σε υγρή μορφή απαιτείται ενέργεια ίση περίπου με το 1/3 του

ενεργειακού περιεχομένου της ποσότητας αυτής. Επιπλέον παρουσιάζονται

προβλήματα ασφάλειας.

Αποθήκευση σε Μορφή Υδριδίων

Μια σύγχρονη μέθοδος αποθήκευσης υδρογόνου, που όμως δεν έχει ακόμα

εμπορική σημασία, είναι αυτή κατά την οποία το υδρογόνο ενώνεται με

κάποιο κράμα μετάλλων, σχηματίζοντας έτσι υδρίδιο.

Τα κράματα που χρησιμοποιούνται κατά τη μέθοδο αυτή είναι τα LaNi5 και

TiFe. Ο μηχανισμός της μεθόδου αυτής είναι ο εξής. Τα προαναφερθέντα



κράματα προσροφούν το υδρογόνο στη θερμοκρασία του περιβάλλοντος και

σε χαμηλές πιέσεις εκλύοντας θερμότητα. Η προσρόφηση αυτού του είδους

είναι μια αντιστρεπτή διαδικασία που οφείλεται στις ελκτικές δυνάμεις Van der

Waals οι οποίες αναπτύσσονται μεταξύ των μορίων του υδρογόνου και των

μετάλλων. Το αέριο αποθηκεύεται στη μορφή αυτή, ενώ η απεμπλοκή του

από το κράμα γίνεται με θέρμανση.

Με τη χρησιμοποίηση των υδριδίων επιτυγχάνεται σημαντική μείωση του

όγκου του υδρογόνου χωρίς να απαιτείται υψηλή πίεση ή κάποιο σημαντικό

ποσό ενέργειας, παράγοντες που συνεπάγονται προβλήματα ασφάλειας και

αύξηση του κόστους. Επιπλέον, με τη δέσμευση του αερίου απ 'τα υδρίδια

αποφεύγεται η αντίδραση του με άλλα υλικά, όπως αυτά των δεξαμενών

αποθήκευσης. Το κυριότερο μειονέκτημα της μεθόδου είναι το υψηλό κόστος

των υδριδίων, τα οποία συν τοις άλλοις εκφυλίζονται με την πάροδο του

χρόνου. Επιπλέον, τα υδρίδια έχουν μεγάλο βάρος σε σχέση με το αέριο ή το

υγρό υδρογόνο. Τέλος, στις δεξαμενές όπου πραγματοποιείται η

προσρόφηση του υδρογόνου πρέπει να υπάρχουν εναλλάκτες για την

απομάκρυνση της εκλυόμενης - κατά την προσρόφηση - θερμότητας, γεγονός

που περιπλέκει την κατασκευή.

Προσρόφηση σε Ίνες Άνθρακα

Η πιο πρόσφατη μέθοδος αποθήκευσης υδρογόνου, η οποία βρίσκεται ακόμα

σε πειραματικό στάδιο, είναι αυτή της προσρόφησης του σε ίνες άνθρακα.

Σαν προσροφητής κατά τη μέθοδο αυτή χρησιμοποιείται ενεργός άνθρακας

και γενικά ελαφρά, ενεργά, πορώδη υλικά με μεγάλη ειδική επιφάνεια. Η

προσρόφηση πραγματοποιείται στη θερμοκρασιακή περιοχή των -213 με -

173°C, και σε πίεση 40 atm.

Η μέθοδος αυτή έχει το πλεονέκτημα ότι το βάρος του υδρογόνου με αυτή τη

μορφή (δηλαδή προσροφημένου στην επιφάνεια των ανθρακοΐνών) είναι

μικρότερο έως και 50% σε σχέση με τα υδρίδια μετάλλων. Επιπλέον η

πυκνότητα του είναι υψηλότερη σε σύγκριση με την αντίστοιχη κατά την

αποθήκευση υπό πίεση (στις 200 atm ο όγκος που καταλαμβάνεται με

προσρόφηση είναι ίσος με το 1/3 απ 'τον αντίστοιχο υπό πίεση). Η παραγωγή



όμως των ινών αυτών απαιτεί υψηλά ποσά ενέργειας, ενώ μπορεί να

ανακτηθεί μόνο το 80% του προσροφημένου αερίου[15][28][36].

16.3.3 Αποθήκευση Υδρογόνου στην Παρούσα Μονάδα

Επιλογη Ιδανικης Μεθοδου Αποθηκευσης

Η γραμμομοριακή παροχή του αερίου μίγματος που παράγεται από την

παρούσα μονάδα είναι 7822 kgmol/hr (που μεταφράζεται σε μαζική ροή

16975 kg/hr), με μοριακή σύσταση 97,3 % Η2, 2,4 % CH4, 0,14 % Ν2 και 0,16

% CΟ2. Η παροχή αυτή μεταφράζεται σε μια τεράστια ημερήσια παραγόμενη

ποσότητα. Κατά συνέπεια, λόγω των μεγάλων αποθηκευτικών

εγκαταστάσεων που θα απαιτούνταν σε μια τέτοια περίπτωση, μια

ενδεχόμενη αποθήκευση της ποσότητας αυτής για μεγάλο χρονικό διάστημα

θα ήταν οικονομικά ασύμφορη. Οδηγούμαστε λοιπόν στο συμπέρασμα ότι το

χρονικό διάστημα της αποθήκευσης θα έπρεπε να ήταν όσο το δυνατό

συντομότερο. Έτσι ορίζουμε σαν χρόνο αποθήκευσης τις είκοσι τέσσερις

ώρες (24hr). Επίσης, η μέθοδος που πρόκειται να εφαρμοστεί είναι αυτή της

αποθήκευσης σε υγρή φάση, λόγω του ότι αφενός είναι μια μέθοδος που

εφαρμόζεται χρόνια κι αφετέρου ο απαιτούμενος όγκος είναι σαφώς

μικρότερος συγκρινόμενος με τον αντίστοιχο σε αέρια φάση υπό πίεση.

Το υδρογόνο σε υγρή μορφή βρίσκεται αποθηκευμένο σε θερμοκρασία ίση με

το σημείο εξάτμισης του (20Κ). Κατά συνέπεια η παραμικρή εισροή

θερμότητας στη μάζα του προκαλεί άμεσα την εξάτμιση του. Η κύρια ιδέα

λοιπόν κατά την αποθήκευση του υδρογόνου στην υγρή φάση είναι η

αποφυγή οποιασδήποτε ροής θερμότητας εντός της μάζας του υγρού. Για το

λόγο αυτό γίνεται ιδιαίτερη αναφορά στον τύπο των χρησιμοποιούμενων

δεξαμενών και στη μετατροπή της ορθο-μορφής του υδρογόνου σε παρα-

μορφή.

Υλικό δεξαμενών

Το υλικό κατασκευής των δεξαμενών αποθήκευσης επιλέγεται κυρίως με

βάση το πόσο διαβρώνεται το υλικό αυτό από την ουσία που πρόκειται να

αποθηκευτεί καθώς κι απ 'τη μηχανική αντοχή του πάντα στις συνθήκες



αποθήκευσης (πίεση και θερμοκρασία). Γενικά, καθ 'όλη τη διαδικασία της

παραγωγής, της μεταφοράς και της αποθήκευσης του υδρογόνου

χρησιμοποιούνται μεταλλικά υλικά (κυρίως κράματα χάλυβα). Η φθορά που

προκαλείται από το υδρογόνο στα υλικά αυτά ξεκινάει απ 'τη δημιουργία του

εντόνως διαχεομένου ατομικού υδρογόνου. Αυτό μπορεί να σχηματιστεί από

ιόντα υδρογόνου, από θερμική διάσπαση ή από μια αντίδραση του με μια

ενεργή μεταλλική επιφάνεια που θα ακολουθηθεί από διάσπαση. Ακολούθως

διαχέεται στη μάζα του μετάλλου διαμέσου των ανωμαλιών στη δομή του

μεταλλικού πλέγματος ή κάποιων οπών που προέκυψαν απ 'τη μηχανική

καταπόνηση του μετάλλου. Έτσι μπορεί να αντιδράσει για παράδειγμα με τον

άνθρακα που περιέχεται στον ανθρακοχάλυβα σχηματίζοντας μεθάνιο,

καθιστώντας τον έτσι εύθραυστο.

Οι αντιδράσεις αυτές λαμβάνουν χώρα κυρίως σε θερμοκρασίες μεγαλύτερες

των 200°C. Στις περιπτώσεις αυτές ο απλός χάλυβας εμπλουτίζεται με

μέταλλα όπως χρώμιο, μολυβδαίνιο, βανάδιο, τιτάνιο, βολφράμιο και νιόβιο,

τα οποία με την παρουσία τους μειώνουν την ποσότητα του διαθέσιμου

άνθρακα για παραγωγή μεθανίου. Αντιθέτως σε θερμοκρασίες χαμηλότερες

των 200°C δεν πραγματοποιείται κάποια επικίνδυνη αντίδραση. Στις

περιπτώσεις αυτές λοιπόν - στις οποίες ανήκει και η παρούσα κατασκευή -

σαν υλικό κατασκευής των δεξαμενών αποθήκευσης θα μπορούσε να

χρησιμοποιηθεί ο κοινός χάλυβας (SA-285, Gr.C).

Τόπος Δεξαμενών

Για την αποθήκευση του υγρού υδρογόνου χρησιμοποιούνται σφαιρικές

δεξαμενές με διπλά τοιχώματα, μεταξύ των οποίων υπάρχει υψηλό κενό

(δοχεία dewars). Ο λόγος που επιλέγεται το σφαιρικό σχήμα είναι ότι με αυτό

επιτυγχάνεται η ελάχιστη επιφάνεια ανταλλαγής θερμότητας με το περιβάλλον

ανά μονάδα όγκου. Η παρουσία κενού μεταξύ των τοιχωμάτων έχει σαν στόχο

την εξάλειψη την απώλειας θερμότητας από αγωγή. Επιπλέον, για την

αποφυγή θερμικής απώλειας από ακτινοβολία, μεταξύ των εσωτερικών και

των εξωτερικών τοιχωμάτων της δεξαμενής τοποθετούνται πολλαπλά

στρώματα ειδικού αντανακλαστικού υλικού χαμηλής θερμικής διαπερατότητας.



Περιγραφή Διαδικασίας Υγροποίησης Υδρογόνου

Το σημείο υγροποίησης του υδρογόνου είναι οι 20Κ. Συνεπώς τόσο η

υγροποίηση του όσο και η διατήρηση του στη φάση αυτή δεν είναι και τόσο

απλή περίπτωση. Οι απλούστερες μέθοδοι υγροποίησης του είναι ο κύκλος

Linde ή κύκλος εκτόνωσης Joule-Thompson.

Σύμφωνα με τη μέθοδο αυτή το αέριο υδρογόνο αρχικά πρέπει να έχει πίεση

τουλάχιστον ίση με αυτή του περιβάλλοντος (1atm). Στην παρούσα μονάδα η

αρχική πίεση είναι της τάξης των 15atm. Το αέριο ρεύμα οδηγείται σε έναν

εναλλάκτη θερμότητας, όπου με τη βοήθεια υγρού αζώτου (ψυκτικό μέσο)

ψύχεται στους 78Κ. Ακολουθεί και δεύτερος εναλλάκτης για περαιτέρω ψύξη

του αερίου ρεύματος υδρογόνου, ο οποίος χρησιμοποιεί σαν ψυκτικό ρευστό

το ψυχρό αέριο υδρογόνο που επιστρέφει από τη βαλβίδα εκτόνωσης. Στη

συνέχεια το ψυχρό πλέον ρεύμα οδηγείται στη βαλβίδα εκτόνωσης, όπου

υφίσταται μια ισενθαλπική εκτόνωση κατά την οποία παράγεται κάποια

ποσότητα υγρού υδρογόνου, η οποία και απομακρύνεται. Το ψυχρό αέριο

που δεν υγροποιήθηκε οδηγείται διαμέσου του δεύτερου εναλλάκτη στην αρχή

του κύκλου και αφού ενωθεί με το ρεύμα της παραγωγής επαναλαμβάνεται η

ίδια διαδικασία. Το άζωτο που χρησιμοποιήθηκε στον πρώτο εναλλάκτη

ανακτάται και ανακυκλώνεται σε έναν συνεχή κύκλο ψύξης.

Ένα κρίσιμο σημείο κατά την αποθήκευση του υδρογόνου στην υγρή φάση

έχει να κάνει με τις δύο ηλεκτρονιακές δομές του ατόμου του, την όρθο- (ο-)

και την παρα- (π-) μορφή. Το υδρογόνο στο σημείο υγροποίησης του (20Κ)

βρίσκεται σχεδόν εξολοκλήρου στην π- μορφή. Σε θερμοκρασία

περιβάλλοντος όμως βρίσκεται κατά 25% στην ο-μορφή και κατά 75% στην π-

.Η μετατροπή της ο- σε π- μορφή πραγματοποιείται πολύ αργά χωρίς

καταλύτη. Κατά την υγροποίηση λοιπόν του υδρογόνου παραμένει στη μάζα

του μια σημαντική ποσότητα της ο- μορφής, η οποία όμως με την πάροδο του

χρόνου στις συνθήκες αποθήκευσης μετατρέπεται σταδιακά στην π-. Η

αντίδραση όμως αυτή είναι ισχυρά εξώθερμη, με αποτέλεσμα η ενέργεια που

εκλύεται να προκαλεί την εξάτμιση κάποιας ποσότητας του υγρού υδρογόνου.

Στην περίπτωση λοιπόν αποθήκευσης μεγάλης διάρκειας οι απώλειες

υδρογόνου θα ήταν σημαντικές. Για το λόγο αυτό πριν τη διαδικασία της



υγροποίησης υφίσταται καταλυτική διεργασία με ξυλάνθρακα ή οξείδιο του

σιδήρου, κατά την οποία η ο- μορφή μετατρέπεται σε π-.

16.4 Υπολογισμός Κόστους Μονάδας Αποθήκευσης

Ο υπολογισμός του κόστους αποθήκευσης του υδρογόνου σε υγρή μορφή, ο

οποίος βασίζεται στο ρυθμό παραγωγής του αερίου και στην απώλεια του

λόγω εξάτμισης (ο ρυθμός εξάτμισης είναι ίσος με 0,1% κ.β./hr),

πραγματοποιείται σύμφωνα με ορισμένες σχέσεις από τη βιβλιογραφία.

Αρχικά καθορίζεται ο χρόνος παραμονής του αερίου υδρογόνου στις

αποθηκευτικές εγκαταστάσεις και η μαζική παροχή εισόδου σ 'αυτές. Ο

χρόνος αποθήκευσης έχει οριστεί στις 24hr. Η μαζική παροχή του αερίου

προϊόντος υπολογίζεται περίπου με 16975kg/hr, ενώ ο συνολικός ρυθμός

ροής και εξάτμισης ανέρχεται περίπου στα 17380kg/hr. Ο απαιτούμενος

όγκος αποθήκευσης γι 'αυτά τα δεδομένα ισούται με 6000m3.

Κόστος Διάταξης Υγροποίησης

Η διάταξη υγροποίησης του υδρογόνου, όπως έχει αναφερθεί, αποτελείται

από τους δύο εναλλάκτες θερμότητας και τη βαλβίδα εκτόνωσης.

Το συνολικό κόστος της συσκευής υγροποίησης (10% σχεδιασμός, 60%

αγορά εξοπλισμού και 30% εγκατάσταση) υπολογίζεται με τη βοήθεια της

σχέσης:

0,65/LT LC C F FlowBOR F (16.1)

όπου,

CLT: συνολικό κόστος συσκευής υγροποίησης (€)

CL: κόστος υγροποίησης (€/kg hr-1)

F: ρυθμός παραγωγής (kg hr-1)

FlowBOR: ρυθμός παραγωγής & εξάτμισης (kg hr-1)

Τα παραπάνω μεγέθη που βρέθηκαν με τη βοήθεια βιβλιογραφικών πηγών

αναφέρονται στο έτος 1995. Η αναγωγή όλων των οικονομικών μεγεθών για

κάθε έτος, γίνεται με τη βοήθεια των δεικτών του περιοδικού Chemical

Engineering .



Κόστος Εγκαταστάσεων Αποθήκευσης (Δοχείο Dewar)

Στην παρούσα μονάδα θα χρησιμοποιηθεί δοχείο dewars χωρητικότητας

6000m3.

Το συνολικό κόστος αγοράς και εγκατάστασης του δοχείου υπολογίζεται με τη

βοήθεια μιας παρόμοιας σχέσης:

0,7/DT D stC C F m F (16.2)

όπου,

CDT: συνολικό κόστος εγκαταστάσεων αποθήκευσης (€)

CD: κόστος αποθήκευσης (€/kg hr-1)

F: ρυθμός παραγωγής (kg hr-1)

mst: αποθηκευόμενη ποσότητα (kg)

Τα παραπάνω μεγέθη βρέθηκαν με τη βοήθεια βιβλιογραφικών πηγών.

Ετήσιο Κόστος Λειτουργίας

Λαμβάνοντας δεδομένα από βιβλιογραφικές πηγές, το ετήσιο κόστος

λειτουργίας της συγκεκριμένης μονάδας παραγωγής υδρογόνου (κόστος

ενέργειας) ανέρχεται στα 69433570€ (το 2005).[15],[16]



ΚΕΦΑΛΑΙΟ 17ο:ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ

17.1 Οικονομικά μεγέθη εγκατάστασης

17.1.1 Κόστος μηχανολογικού εξοπλισμού

Στα προηγούμενα κεφάλαια παρουσιάσθηκε αναλυτικά ο τρόπος

υπολογισμού του κόστους αγοράς και εγκατάστασης των συσκευών της υπό

μελέτη μονάδας. Το άθροισμα του κόστους των συσκευών ισοδυναμεί με το

κόστος του μηχανολογικού εξοπλισμού. Από βιβλιογραφικές πηγές

υπολογίστηκαν οι μέσες τιμές που παρουσιάζονται στον πιο κάτω πίνακα.

Πίνακας 17.1: Κόστος αγοράς και εγκατάστασης μηχανολογικού εξοπλισμού.

Εγκατεστημένο Κόστος

Εξοπλισμού, €

Αντιδραστήρας SRR 4820000

Αντιδραστήρες Μετατροπής CO 900000

Εναλλάκτες θερμότητας 566000

Μονάδα συμπύκνωσης 317000

Στήλη Απορρόφησης 1600000

Στήλη Εκρόφησης 960000

Διαχωριστής 64000

Φυσητήρες / Αντλίες 720000

Απιονιστές 400000

Καυστήρας 5230000

Μονάδα Παραγωγής Ατμού 555000

Ψυκτικός Πύργος 2620000

Καμινάδα 18600

Σύνολο 18,87.106



17.1.2 Συνολική δαπάνη επένδυσης

Στη συνέχεια υπολογίζονται οι επιμέρους δαπάνες, το άθροισμα των οποίων

συνιστά τη συνολική δαπάνη επένδυσης. Ο υπολογισμός της συνολικής

δαπάνης επένδυσης γίνεται με τη βοήθεια συντελεστών αναλογίας, οι οποίοι

δίνονται από τη βιβλιογραφία[33]. Οι συντελεστές αναλογίας

αντιπροσωπεύουν μέσες τιμές για τυπικές χημικές εγκαταστάσεις που

χρησιμοποιούν ρευστά. Τα αποτελέσματα φαίνονται στον πίνακα που

ακολουθεί:

Πίνακας 17.2: Υπολογισμός συνολικής δαπάνης επένδυσης

Είδος δαπάνης Συντελεστής αναλογίας % Κόστος, 106 €

Ι. ΑΜΕΣΕΣ ΔΑΠΑΝΕΣ

1. Αξία μηχανολογικού εξοπλισμού 100 18,87

2. Εγκατάσταση εξοπλισμού -

3. Όργανα και αυτοματισμοί 18 3,4

4. Σωληνώσεις (εγκατεστημένες) 66 12,34

5. Ηλεκτρικά (εγκατεστημένα) 11 2

6. Κτίρια (με τις υπηρεσίες) 18 3,4

7. Βελτίωση οικοπέδου 10 1,887

8. Υπηρεσίες (εγκατεστημένες) - -

9. Οικόπεδο - -

ΣΥΝΟΛΟ 41,9

II. ΕΜΜΕΣΕΣ ΔΑΠΑΝΕΣ

1. Μελέτη και επίβλεψη 33 6,2

2. Κατασκευή 41 7,73

3. Αμοιβή εργολάβου 21 4

4. Απρόβλεπτα 42 7,8

ΣΥΝΟΛΟ

III. ΠΑΓΙΟ ΚΕΦΑΛΑΙΟ, IF (Ι + ΙΙ) 67,63

IV. ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΚΙΝΗΣΗΣ 15% ΙΙΙ 10,14

ΣΥΝΟΛΙΚΗ ΔΑΠΑΝΗ ΕΠΕΝΔΥΣΗΣ 77,77



Για τον υπολογισμό της συνολικής δαπάνης επένδυσης λαμβάνονται υπόψη

τα εξής:

Το κόστος εγκατάστασης του εξοπλισμού υπολογίστηκε για την κάθε

συσκευή στο προηγούμενο κεφάλαιο.

Το κόστος για την αγορά οικοπέδου δεν λαμβάνεται υπόψη καθώς η

εγκατάσταση αποτελεί μονάδα προσθήκης.

17.1.3 Ετήσιες λειτουργικές δαπάνες

Οι ετήσιες λειτουργικές δαπάνες της μονάδας υπολογίζονται αναλυτικά στην

συνέχεια. Οι υπολογισμοί που έγιναν συνοψίζονται στον παρακάτω πίνακα.

Υπολογισμός ετήσιων δαπανών λειτουργίας

Πρώτες Ύλες

Για την παραγωγή 120000 τόνων υδρογόνου απαιτούνται 34,35 106m3/έτος

φυσικού αερίου. Η τιμή του φυσικού αερίου για το 2005 ήταν 0,22€/m3 ενώ για

το 2009 προβλέπεται να είναι 0,022(1+0,03)4=0,25 €/m3 οπότε οι ετήσιες

δαπάνες για αγορά φυσικού αερίου ανέρχονται στα 8,58 106€/έτος.

Επίσης για ετήσια παραγωγή 120000 τόνων υδρογόνου απαιτούνται 0,94 106

m3/έτος νερού και για την παραγωγή ατμού στον εξατμιστήρα 0,337 106

m3/έτος. Η τιμή του νερού για το έτος 2003 είναι 0,034 €/m ενώ για το έτος

2009 η τιμή αναμένεται να είναι: 0,034(1+0,03)6=0,041 €/m3

Έτσι το συνολικό κόστος για το νερό είναι :

( 0,94 106 +0,337 106 )*0,041=0,052 106€/ έτος

Το συνολικό κόστος των πρώτων υλών ανέρχεται σε 8,6 106€/ έτος.

Εργατικά

Η τιμή της εργατοώρας για το 2002 είναι 9€. Για το 2009 η τιμή της αναμένεται

να είναι 9 (1+0,03)7 = 11€. Για τον υπολογισμό του αριθμού των εργατοωρών

χρησιμοποιείται ο τύπος του Wessel:

(ανθρωποώρες ανά ημέρα και στάδιο διαδικασίας) = α (δυναμικότητα σε

τόνους προϊόντος ανά ημέρα )0,24



Θεωρώντας ότι η μέθοδος που χρησιμοποιείται είναι αυτοματοποιημένη ο

συντελεστής α λαμβάνεται ίσος με 11. Κάνοντας την παραδοχή ότι η

διεργασία περιλαμβάνει 4 βασικά στάδια (αναμόρφωση φυσικού αερίου με

ατμό, μετατροπή CO σε CO2, διαχωρισμός νερού από το μίγμα αερίων και

αποθήκευση) υπολογίζονται τα εξής:

Δυναμικότητα σε τόνους προϊόντος ανά ημέρα = (120000 τόνοι / έτος) 1 έτος

/ 365 μέρες = 328,76 τόνοι/μέρα

α – ώρες / (μέρα στάδιο) - 11 (328,76)0,24 = 44,2

α – ώρες / μέρα = 44,2 4 = 176,8

α – ώρες / έτος = 64532

Συνεπώς το κόστος των εργατικών είναι: 64532 α – ώρες / έτος 11€ / α – ώρα

= 709852€ =0,70 106€/έτος.

Επιστασία

Αποτελεί το 15% των εργατικών, άρα το ετήσιο κόστος επιστασίας είναι:

0,15 709852€ = 0,106 106€/έτος.

Βοηθητικές Παροχές

Η απαιτούμενη ισχύς στη μονάδα είναι 4,237.10-4 kW/m3H2 =

6,78.105kWh/έτος. Για το έτος 2003 το κόστος της ηλεκτρικής ενέργειας είναι

0,05 €/kWh ενώ για το έτος 2009 η τιμή αναμένεται να είναι:

0,05(1+0,03)6 = 0,059 €/kWh. Οπότε, το κόστος της ηλεκτρικής ενέργειας

είναι: 0,059 €/kWh 6,78 105 kWh/έτος = 0,040 106 €/έτος.

Η συνολική ποσότητα νερού που απαιτείται στη μονάδα για αναπλήρωση των

απωλειών στον πύργο ψύξης, είναι 810000 m3/έτος. Για το έτος 2003 το

κόστος του νερού είναι 0,034 €/m3 ενώ για το έτος 2009 η τιμή αναμένεται να

είναι: 0,034(1+0,03)6=0,041 €/m3.

Οπότε, το κόστος του νερού είναι: 0,041 €/ m3 0,81 106 m3/έτος = 0,033 106

€/έτος.

Τα συνολικά ετήσια έξοδα για βοηθητικές παροχές είναι: 0,073 106 €/έτος.



Συντήρηση και επισκευές

Η δαπάνη για συντήρηση και επισκευές είναι το 6% της πάγιας επένδυσης. Η

ετήσια δαπάνη είναι: 0,06 67,63 106€ = 4 106 €/έτος.

Διάφορα υλικά

Η δαπάνη των διαφόρων υλικών αποτελεί το 15% του κόστους συντήρησης

και επισκευής. Οπότε το ετήσιο κόστος των διαφόρων υλικών είναι:

0,15 4 106€=0,6 106€/έτος

Έξοδα Εργαστηρίου

Η δαπάνη για έξοδα εργαστηρίου αποτελεί το 10% των εργατικών, δηλαδή το

ετήσιο κόστος είναι: 0,1 0,70 106 ευρώ = 0,070 106 €/έτος.

Δικαιώματα

Γίνεται παραδοχή ότι το κόστος των δικαιωμάτων είναι αμελητέο.

Απόσβεση

Η ετήσια δαπάνη για απόσβεση αποτελεί το 10% της πάγιας επένδυσης, με

την παραδοχή της γραμμικής απόσβεσης αλλά και της οικονομικής ζωής της

μονάδας για Ν = 10 έτη. Συνεπώς η ετήσια δαπάνη της απόσβεσης είναι:

0,1 67,63 106€ = 6,763 106 €/έτος.

Φόροι

Η δαπάνη για τους φόρους αποτελεί το 1% της πάγιας επένδυσης. Συνεπώς

το ετήσιο κόστος των φόρων είναι: 0,01 67,63 106 € = 6,763 106 €/έτος.

Ασφάλιση

Η ετήσια δαπάνη για ασφάλιση αποτελεί το 1% της πάγιας επένδυσης.

0,01 67,63 106€ = 0,6763 106 €/έτος.

Ενοίκια

Γίνεται η παραδοχή ότι δεν υπάρχει δαπάνη για ενοίκια.



Πρόσθετα Έξοδα

Τα πρόσθετα έξοδα αποτελούν το 50% του συνόλου των δαπανών που

αφορούν τα εργατικά, την επιστασία και τις συντηρήσεις - επισκευές. Οπότε η

ετήσια δαπάνη για τα πρόσθετα έξοδα είναι:

0,5 (0,70 + 4 + 0,106) 106 € = 2,40 106 €/έτος.

Έξοδα Διοίκησης

Η δαπάνη των εξόδων διοίκησης αποτελεί το 20% των εργατικών, δηλαδή το

ετήσιο κόστος είναι:

0,20 0,70 106 € = 0,14 106 €/έτος

Έξοδα Διανομής και Πωλήσεων

Τα έξοδα διανομής και πωλήσεων αποτελούν το 2% των συνολικών δαπανών

(το ποσοστό αυτό είναι ικανοποιητικό γιατί η μονάδα θα παράγει και θα πωλεί

μεγάλες ποσότητες υδρογόνου). Το συνολικό ετήσιο κόστος είναι:

0,02 (III)=0,2*24,80 106=0,496 106

Έξοδα Έρευνας και Ανάπτυξης

Γίνεται η παραδοχή ότι τα έξοδα έρευνας και ανάπτυξης είναι αμελητέα.

Τόκοι

Γίνεται η παραδοχή ότι οι τόκοι είναι αμελητέοι.

ΣΥΝΟΛΙΚΕΣ ΔΑΠΑΝΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ

Αθροίζοντας όλες τις πιο πάνω δαπάνες προκύπτουν οι συνολικές ετήσιες

λειτουργικές δαπάνες (IIΙ) που είναι 24,80 106 €/έτος.

Απρόβλεπτα

Οι απρόβλεπες δαπάνες αποτελούν το 1% των συνολικών δαπανών

λειτουργίας. Δηλαδή τα ετήσια απρόβλεπτα έξοδα είναι:

0,01 24,80 106 € = 0,2480 106 €/έτος



Πίνακας 17.3: Υπολογισμός ετήσιων λειτουργικών δαπανών

Είδος δαπάνης

Συντελεστής

εκτίμησης ετήσιας

δαπάνης

106€/έτος

Ι. ΕΞΟΔΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ

Α. Άμεσα Έξοδα Παραγωγής

1. Πρώτες ύλες - 8,6

2. Εργατικά - 0,70

3. Επιστασία 15% Α2 0,106

4. Βοηθητικές παροχές - 0,073

5. Συντήρηση και επισκευές 6% ΙF 4

6. Διάφορα υλικά 15% Α5 0,6

7. Έξοδα εργαστηρίου 10% Α2 0,07

8. Δικαιώματα -

Β. Μόνιμες επιβαρύνσεις

1. Απόσβεση 10% ΙF 6,763

2. Φόροι 1% ΙF 0,6763

3. Ασφάλιση 1% ΙF 0,6763

4. Ενοίκια - -

C. Πρόσθετα Έξοδα 50% (Α2 + Α3 + Α5) 2,40

ΙΙ. ΓΕΝΙΚΑ ΕΞΟΔΑ

1. Έξοδα διοίκησης 20% Α2 0,14

2. Έξοδα διανομής και πωλήσεων 2% ΙΙΙ 0,496

3. Έξοδα έρευνας και ανάπτυξης - -

4. Τόκοι - -

ΙΙΙ. ΣΥΝΟΛΙΚΕΣ ΔΑΠΑΝΕΣ

ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ

Ι+ΙΙ 24,80

Απρόβλεπτα 1% (ΙΙΙ) 0,2480



17.2 Ανάλυση οικονομικών δεδομένων της επένδυσης

17.2.1 Υπολογισμός οικονομικών δεδομένων

Για τον υπολογισμό των οικονομικών δεδομένων της υπό μελέτη μονάδας

έγιναν οι πιο κάτω παραδοχές.

Ο χρόνος ζωής της εγκατάστασης θεωρείται, n=10 έτη. Εάν υποτεθεί

ότι η απόσβεση είναι γραμμική, ο συντελεστής απόσβεσης είναι e= 1/n

= 0,1.

Ο συντελεστής απόσβεσης για φορολογικούς λόγους είναι d = 0,1.

Ο φορολογικός συντελεστής είναι ίσος με t = 0,4.

Η βοηθητική επένδυση ΙΑ θωρείται ενσωματωμένη στην πάγια

επένδυση IF.

Τα έσοδα από εκποίηση θεωρούνται μηδενικά.

Ο συντελεστής απόδοσης κεφαλαίου θεωρείται i=10%.

Ο συντελεστής ρίσκου της εγκατάστασης θεωρείται h = 0,2 διότι η

τεχνολογία δεν είναι δοκιμασμένη.

Η ελάχιστη αποδεκτή τιμή του ρυθμού απόδοσης κεφαλαίου θεωρείται

ότι είναι: im=i+h=0,3.

Η ετήσια χρηματοροή θεωρείται σταθερή.

Ο πληθωρισμός θεωρείται σταθερός και ίσος με 3%.

Οικονομικά Μεγέθη

O υπολογισμός των παρακάτω μεγεθών είναι απαραίτητος τον υπολογισμό

των οικονομικών κριτηρίων που θα ακολουθήσουν στο επόμενο κεφάλαιο.

Πάγια επένδυση: IF = 67,63 106 €/έτος.

Συνολική επένδυση: Ι = IF + Iw I =77,77 106 €/έτος.

IF = 0,85 I, IW = 0,15 I

Κεφάλαιο κίνησης: Iw= 10,14 106€/έτος.

Ακαθάριστα έσοδα: S = S1 + S2 =90,2 106 €/έτος,

όπου,

S1, S2: έσοδα από πωλήσεις υδρογόνου και ατμού αντίστοιχα.



S1: τιμή υδρογόνου 2005 =0,65 €/kg

Για το 2009 0,65(1+0,03)4 =0,73€/kg

S1= 0,73 €/kg 12 107=87,6 106€/έτος

S2: τιμή ατμού 2005 0,007 €/kg

Για το 2009 0,007(1+0,03)4 =0,0078€/kg

S2: 0,0078 €/kg 3,4 108=2,6 106€/έτος

Συνολικές λειτουργικές δαπάνες (συμπεριλαμβανομένης και της απόσβεσης):

C = 24,80 106 €/έτος.

Συνολικές λειτουργικές δαπάνες (χωρίς την απόσβεση): C’ = 18,03 106€/έτος.

Ακαθάριστα κέρδη: R = S - C' =(90,2 106 )-(18 106 ) =72,2 106€/έτος.

Καθαρά κέρδη: Ρ = (S - C) - eIF - (S - C'-dIF) t = 39,3 106 €/έτος.

Για τον υπολογισμό των καθαρών κερδών χρησιμοποιούνται τα εξής

δεδομένα:

Ο χρόνος ζωής της εγκατάστασης θεωρείται, n = 10 έτη. Εάν υποτεθεί

ότι η απόσβεση είναι γραμμική, ο συντελεστής απόσβεσης είναι e=1/n

= 0,1.

Ο συντελεστής απόσβεσης για φορολογικούς λόγους είναι d = 0,1.

Ο φορολογικός συντελεστής είναι ίσος με t = 0,4.

Οι υπολογισμοί που έγιναν συνοψίζονται στον παρακάτω πίνακα

Πίνακας 17.4: Οικονομικά μεγέθη της σχεδιαζόμενης μονάδας.

Οικονομικό μέγεθος Τιμή

Πάγια επένδυση (IF), 106€ 67,63

Κεφάλαιο κίνησης (Iw), 106€ 10,14

Συνολική επένδυση (Ι), 106€ 77,77

Έσοδα από πωλήσεις προϊόντων (S), 106€/έτος 90,2

Λειτουργικές δαπάνες (C), 106€/έτος 24,80

Ακαθάριστα κέρδη (R), 106€/έτος 62,8

Καθαρά κέρδη (Ρ), 106€/έτος 39,3



17.2.2 Οικονομικά κριτήρια

Η απόφαση για την πραγματοποίηση μιας επένδυσης σε βιομηχανική κλίμακα

καθορίζεται από ορισμένα οικονομικά κριτήρια. Τα κριτήρια που

χρησιμοποιούνται για την αξιολόγηση της παρούσας επένδυσης είναι:

1. Κέρδος εγχειρήματος, V

2. Αξία εγχειρήματος, W

3. Απόδοση με βάση την αρχική επένδυση, ROI

4. Χρόνος εξόφλησης κεφαλαίου, POT

5. Εσωτερικό επιτόκιο, τ

Κέρδος εγχειρήματος

Το οικονομικό αυτό κριτήριο ορίζεται ως:

m F WV P i I I (17.1)

Μια επένδυση θεωρείται αποδοτική όταν το κέρδος εγχειρήματος είναι θετικό

και έχει όσο το δυνατόν υψηλότερη τιμή.

Αξία εγχειρήματος

Η αξία εγχειρήματος ορίζεται ως εξής:

1 1

Ntt

t

VW

i

(17.2)

και παριστά το σύνολο των ετησίων κερδών από την επένδυση, ανηγμένων

σε παρούσες τιμές. Η άθροιση καλύπτει την οικονομική ζωή της

εγκατάστασης. Πλεονέκτημα του κριτηρίου είναι ότι λαμβάνει υπόψη το ρίσκο

της επένδυσης, ενώ αποτελεί μειονέκτημα το ότι για τον υπολογισμό της

πρέπει να επιλεγούν τιμές για τα i και im. Για να είναι αποδοτική μια επένδυση

πρέπει η αξία εγχειρήματος να είναι θετική και όσο το δυνατόν μεγαλύτερη.

Απόδοση με βάση την αρχική επένδυση

Για τον ορισμό του μέτρου αυτού αποδοτικότητας, χρησιμοποιείται μια μέση

τιμή του ετήσιου κέρδους και η συνολική αρχική επένδυση.

F W

PROI

I I

(17.3)



Για να είναι οικονομική μια επένδυση πρέπει το ROI να είναι μεγαλύτερο του

im.

Χρόνος εξόφλησης κεφαλαίου

Ο χρόνος εξόφλησης κεφαλαίου είναι ο χρόνος που χρειάζεται για να

ανακτηθεί το πάγιο κεφάλαιο από τα έσοδα της εγκατάστασης και δίνεται από

τη σχέση:

F

F

IPOT

P e I

(17.4)

Για να είναι αποδοτική μια επένδυση πρέπει ο χρόνος εξόφλησης κεφαλαίου

να είναι μικρότερος από 5 χρόνια.

Εσωτερικό επιτόκιο

Το εσωτερικό επιτόκιο υπολογίζεται από τη σχέση:

1 1

1

N

N

M

I

(17.5)

Πλεονέκτημα του κριτηρίου αυτού έναντι των άλλων είναι ότι λαμβάνει υπόψη

και το χρόνο ζωής της επιχείρησης γεγονός που επιτρέπει την σύγκριση

επενδύσεων ιδιαίτερα όταν η οικονομική τους ζωή είναι άνιση.

Για τον υπολογισμό των οικονομικών κριτηρίων γίνονται οι εξής παραδοχές:

Η βοηθητική επένδυση ΙΑ θωρείται ενσωματωμένη στην πάγια

επένδυση IF.

Τα έσοδα από εκποίηση θεωρούνται μηδενικά.

Ο ρυθμός απόδοσης κεφαλαίου θεωρείται i = 10 %.

συντελεστής ρίσκου της εγκατάστασης θεωρείται h = 0,2 διότι η

τεχνολογία δεν είναι δοκιμασμένη.

Η ελάχιστη αποδεκτή τιμή του ρυθμού απόδοσης κεφαλαίου θεωρείται

ότι είναι: im = i + h = 0,3

Με τη βοήθεια των πιο πάνω δεδομένων υπολογίζονται τα οικονομικά

κριτήρια αξιολόγησης της μονάδας.



Απόδοση με βάση την αρχική επένδυση (ROI)

ROI = P/(IF + Iw) = P/Ι

ROI = 39,3 106/77,77 106 ROI = 0,50

Χρόνος εξόφλησης κεφαλαίου (POT)

POT = IF/(P + e IF)

POT = 67,63 106/(39.3 106 + 6,763 106) POT =1,4 έτη.

Εσωτερικό επιτόκιο (DCF)

10

11

1I

Οι χρηματοροές (Μ) λαμβάνονται σταθερές και υπολογίζονται από τη σχέση:

M = P + e IF

Μ = 39.3 106 +0,1 67,63 106 =46,06 106€/έτος.

Κέρδος εγχειρήματος (V)

V=P - im(lF + Iw)

V = 39,3 106 0,3 (67,63 106 + 10,14 106) V = 15,9 106€/έτος.

Αξία εγχειρήματος (W)

W = (14,4+13,1+11,9+10,8+9,87+8,98+8,19+7,41+6,74) 106 W=91,39€/έτος.

Τα αποτελέσματα που προκύπτουν για τα παραπάνω κριτήρια

παρουσιάζονται συνοπτικά πιο κάτω.

Πίνακας 17.5: Αποτελέσματα οικονομικών κριτηρίων

Οικονομικό μέγεθος Τιμή

Κέρδος εγχειρήματος (V), 106€ 15,9

Αξία εγχειρήματος (W), 106€ 91,3

Απόδοση με βάση την αρχική επένδυση (ROI), % 50

Χρόνος εξόφλησης κεφαλαίου (POT), έτη 1,4

Εσωτερικό επιτόκιο (DCF), % -

Ετήσια χρηματοροή (Μ), 106€/έτος 46,06



17.3-ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΕΠΕΝΔΥΤΙΚΟΥ ΣΧΕΔΙΟΥ A)Καθαρή παρούσα άξια Η καθαρή παρούσα άξια δίνετε από τον τύπο

1 (1 )

n

ni

B C

r

(17.6)

Όπου : Β= όφελος c= κόστος r= τελεστής προεξόφλησης n= διάρκεια ζωής αν ΚΠΑ >0 τότε η επένδυση είναι αποδεκτή αν ΚΠΑ <0 τότε η επένδυση δεν είναι αποδεκτή αν ΚΠΑ =0 οριακά αποδεκτή η μη αποδεκτή,όποτε εξαρτάται από άλλους παράγοντες.

0 1 2 3 4

77,77 (90,2 24,8) (90, 2 24,8) (90,2 24,8) (90,2 24,8)

(1 0,03) (1 0,03) (1 0,03) (1 0,03) (1 0,03)NPV

r r

5 6 7 8 9 10

(90, 2 24,8) (90, 2 24,8) (90, 2 24,8) (90, 2 24,8) (90, 2 24,8) (90, 2 24,8)

(1 0,03) (1 0,03) (1 0,03) (1 0,03) (1 0,03) (1 0,03)

=480*106€ Επειδή ΚΠΑ=480*106€ > 0 η επένδυση μας είναι αποδεκτή. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στον παρακάτω πίνακα

Χρονική διάρκεια(Έτη)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Επενδυση106€ -77,77 - - - - - - - - - -

Κόστος(C) 106€

- 24,8 24,8 24,8 24,8 24,8 24,8 24,8 24,8 24,8 24,8

Όφελος(Β) 106€

- 90,2 90,2 90,2 90,2 90,2 90,2 90,2 90,2 90,2 90,2

Καθαρή Ροή (B-C) 106€

-77,77 65,4 65,4 65,4 65,4 65,4 65,4 65,4 65,4 65,4 65,4



B)Ο Εσωτερικός Συντελεστής Απόδοσης (ΕΣΑ) Β1)Ο Εσωτερικός Συντελεστής Απόδοσης (ΕΣΑ) είναι το επιτόκιο εκείνο που εξισώνει την ΚΠΑ με μηδέν, δηλαδή το επιτόκιο για το οποίο τα προεξοφλημένα οφέλη ισούνται με το προεξοφλημένο κόστος. Αλγεβρικά ο ΕΣΑ αποτυπώνεται ως εξής

n

inr

CB

1

0)1(

(17.7)

όπου r: ο εσωτερικός συντελεστής απόδοσης. Μια επένδυση αξίζει να αναληφθεί αν ο ΕΣΑ είναι μεγαλύτερος από το επιτόκιο της αγοράς που αντικατοπτρίζει το κόστος ευκαιρίας του κεφαλαίου.

0 1 2 3 4 5

77,77 (90,2 24,8) (90,2 24,8) (90,2 24,8) (90,2 24,8) (90,2 24,8)

(1 ) (1 ) (1 ) (1 ) (1 ) (1 )r r r r r r

6 7 8 9 10

(90,2 24,8) (90,2 24,8) (90,2 24,8) (90,2 24,8) (90,2 24,8)

(1 ) (1 ) (1 ) (1 ) (1 )r r r r r

=0.9789

Β2)Ο ΕΣΑ βρίσκεται μέσω ηλεκτρονικού υπολογιστή ή εμπειρικά μέσω δοκιμών. Ωστόσο παρουσιάζονται δυσκολίες στον υπολογισμό του χωρίς τη βοήθεια υπολογιστή ιδιαίτερα όταν οι ροές της επένδυσης επεκτείνονται σε μεγάλη χρονική περίοδο. Για αυτό έχει προταθεί μια προσεγγιστική μέθοδο για την εκτίμηση του που απαιτεί μόνο δυο δοκιμές επιτοκίου: μια που να δίνει ΚΠΑ θετική και μια με ΚΠΑ αρνητική. Στη συνέχεια με χρήση του παρακάτω τύπου είναι δυνατός ο υπολογισμός του:

12

1121 )(

rr

rrrr

(17.8)

όπου 1r το επιτόκιο για το οποίο ΚΠΑ>0 και 2r το επιτόκιο για το οποίο ΚΠΑ<0.

Γ) Η σχέση Οφέλους / Κόστους ή Λόγος Ω/Κ (ΛΩΚ) ορίζεται ως εξής:

Ω/Κ = ΠΑ(Ω) / ΠΑ(Κ) (17.9)

Ω = ωφέλεια- Κ = κόστους ΠΑ= παρούσα αξία.



Εάν Ω/Κ > 1, το έργο είναι επιθυμητό, διότι οι ωφέλειες, υπολογιζόμενες με

βάση την παρούσα αξία όλων των στοιχείων ωφέλειας, είναι μεγαλύτερες από

τα κόστη, που υπολογίζονται με βάση την παρούσα αξία όλων των στοιχείων

του κόστους.

Πρόκειται για έναν απλό αριθμό, όπως και ο ΕΣΑ, ο οποίος είναι ανεξάρτητος

από το ποσό της επένδυσης. Επιπλέον, η χρησιμοποίηση του είναι ορισμένες

φορές ευκολότερη διότι δεν δημιουργεί περιπτώσεις αμφιβολίας, σαν αυτή

που παρουσιάστηκε για τον ΕΣΆ. Για το λόγο αυτό, η σχέση Ω/Κ έχει, σε

ορισμένες περιπτώσεις μεγάλη σημασία για την κατάταξη των έργων.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0 90,2 90,2 90, 2 90,2 90,2 90,2 90, 2 90,2 90,2 90,2( )

(1 ) (1 ) (1 ) (1 ) (1 ) (1 ) (1 ) (1 ) (1 ) (1 ) (1 )r r r r r r r r r r r

=769,42

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

77,77 24,8 24,8 24,8 24,8 24,8 24,8 24,8 24,8 24,8 24,8( )

(1 ) (1 ) (1 ) (1 ) (1 ) (1 ) (1 ) (1 ) (1 ) (1 ) (1 )r r r r r r r r r r r

=133,9

( ) 769,425,75

( ) 133,79

Επειδή ΛΩΚ=5,75 > 0 η επένδυση μας είναι επιθυμητή.



ΚΕΦΑΛΑΙΟ 18ο : ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΡΥΘΜΙΣΗΣ

18.1 Γενικά

Με τη ρύθμιση των συνθηκών λειτουργίας μιας εγκατάστασης επιδιώκεται η

σωστή λειτουργία της μονάδας και η διατήρηση της επιθυμητής ποσότητας και

ποιότητας του τελικού προϊόντος. Αυτό επιτυγχάνεται όταν οι συνθήκες

λειτουργίας παραμένουν στις προκαθορισμένες τιμές του σχεδιασμού, παρά

την επίδραση εξωτερικών διαταραχών (π.χ. θερμοκρασία του περιβάλλοντος).

Έτσι η λειτουργία της παραγωγικής διαδικασίας γίνεται ομαλά και με

ασφάλεια, παρά τις οποιεσδήποτε μεταβολές.

Γενικά το πρόβλημα του σχεδιασμού συστημάτων ρύθμισης είναι εξαιρετικά

σύνθετο. Περιέχει θεωρητικά και πρακτικά στοιχεία, όπως η ποιότητα της

απόκρισης των ρυθμιζόμενων μεταβλητών, η ευστάθεια τους, η ασφαλής

λειτουργία της μονάδας, η αξιοπιστία και η ευελιξία του συστήματος ρύθμισης

(κυρίως κατά την έναρξη λειτουργίας και το κλείσιμο της μονάδας) και τέλος το

κόστος του συστήματος ρύθμισης που θα εφαρμοσθεί. Οι χημικές βιομηχανίες

είναι αυστηρά μη γραμμικά συστήματα με πολλές μεταβλητές που

αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Για το λόγο αυτό μπορεί σε μερικά σημεία να μην

είναι γνωστός αρχικά ο επιδιωκόμενος στόχος ρύθμισης[35].

Οι μεταβλητές που ρυθμίζονται είναι εκείνες που ελέγχονται εύκολα, φθηνά,

γρήγορα και με ακρίβεια, όπως είναι η θερμοκρασία, η πίεση, το ύψος και η

παροχή.

Σε κάθε διάταξη ρύθμισης διακρίνονται τα παρακάτω μηχανολογικά

στοιχεία[8]:

Διεργασία:

Οι συσκευές και οι διατάξεις στις οποίες επιτελούνται οι διάφορες φυσικές ή

χημικές διεργασίες (π.χ. δοχεία ανάμιξης, εναλλάκτες θερμότητας κ.τ.λ).

Όργανα μέτρησης:

Διάφορα όργανα για τη μέτρηση και την αξιολόγηση της μεταβλητής εξόδου.

Για τη μέτρηση της θερμοκρασίας χρησιμοποιούνται συνήθως θερμοζεύγη ή



θερμόμετρα ενώ για την πίεση ή τη στάθμη του υγρού χρησιμοποιούνται

διαφράγματα.

Μετατροπείς και γραμμές μεταφοράς σημάτων:

Χρησιμοποιούνται για να μεταφέρουν το μετρούμενο σήμα από το όργανο

μέτρησης στο ρυθμιστή, το σήμα του ρυθμιστή στο τελικό στοιχείο ρύθμισης

κ.τ.λ.

Αυτές οι γραμμές μπορεί να είναι πνευματικές ή αναλογικές.

Ρυθμιστής

Περιλαμβάνει τη λειτουργία του συγκριτικού στοιχείου. Είναι συνήθως

αναλογική ή ψηφιακή διάταξη που προσδιορίζει το νόμο μεταβολής της

ρυθμίζουσας μεταβλητής και απαιτεί τον ορισμό της επιθυμητής τιμής (set

point).

Γενικά οι ρυθμιστές που χρησιμοποιούνται είναι οι εξής:

Αναλογικοί (Ρ)

Αναλογικοί - Ολοκληρωτικοί (ΡΙ)

Αναλογικοί - Ολοκληρωτικοί-Διαφορικοί (PID)

Τελικό στοιχείο ρύθμισης

Είναι η συσκευή που δέχεται το σήμα του ρυθμιστή και ανάλογα προσαρμόζει

με φυσικά μέσα την τιμή της ρυθμίζουσας μεταβλητής.

Μεταλλάκτες

Πολλές μετρήσεις δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν πριν μετατραπούν σε

φυσικά μεγέθη, όπως ηλεκτρική τάση, ρεύμα, πνευματική ένδειξη, δηλαδή

συμπιεσμένος αέρας ή υγρό που μπορούν να μεταδοθούν εύκολα.

Καταγραφείς στοιχείων

Χρησιμοποιούνται για να εξασφαλίσουν μια οπτική ένδειξη του πως

συμπεριφέρεται μια χημική διεργασία. Συνήθως οι καταγραφόμενες

μεταβλητές είναι οι μεταβλητές που μετρώνται κατευθείαν σαν μέρος του

συστήματος ρύθμισης.



18.2 Ρύθμιση της μονάδας παραγωγής υδρογόνου

18.2.1 Αντιδραστήρας SRR

Στον αντιδραστήρα ρυθμίζεται η θερμοκρασία και η πίεση. Η ρύθμιση της

θερμοκρασίας λειτουργίας του αντιδραστήρα γίνεται σχετικά εύκολα με τη

ρύθμιση της παροχής του ψυκτικού ή θερμαντικού που ρέει στο κέλυφος.

Αντίθετα η ρύθμιση της πίεσης λειτουργίας γίνεται πιο δύσκολα (με χωρισμό

του αντιδραστήρα σε ζώνες) .

18.2.2 Διαχωριστής υγρής - αέριας φάσης

Η ρύθμιση που χρησιμοποιείται για τους διαχωριστές υγρής - αέριας φάσης

είναι η ρύθμιση της στάθμης του υγρού μέσα στο δοχείο και η ρύθμιση της

πίεσης του αερίου που απομακρύνεται από το πάνω μέρος του δοχείου.

Επίσης γίνεται ρύθμιση στην παροχή του ρεύματος τροφοδοσίας.

18.2.3 Συσκευές εναλλαγής θερμότητας

Γίνεται μέτρηση της θερμοκρασίας στο κύριο ρεύμα της διεργασίας που

εξέρχεται από τον εναλλάκτη και ρυθμίζεται ανάλογα η παροχή του

θερμαντικού ή ψυκτικού μέσου.

18.2.4 Στήλη απορρόφησης - εκρόφησης

Για τις στήλες απορρόφησης ρυθμίζεται η θερμοκρασία του αερίου μίγματος

εξόδου που εισέρχεται σ' αυτές με ρυθμιστικό σύστημα θερμοκρασίας, ενώ

ρυθμιστικό σύστημα στάθμης ρυθμίζει ανάλογα με το άνοιγμα μιας βάνας τη

ροή που εισέρχεται στη στήλη απορρόφησης.

Παράλληλα, ρυθμιστικό σύστημα ροής ρυθμίζει ανάλογα με το άνοιγμα μιας

βάνας τη ροή του νερού που εισέρχεται στις στήλες απορρόφησης, ενώ

ρυθμιστικό σύστημα θερμοκρασίας ρυθμίζει τη θερμοκρασία του ρεύματος

εξόδου της στήλης.

Αντίστοιχα ισχύουν για τις στήλες εκρόφησης που δεν κρίνεται σκόπιμο να

αναφερθούν.



18.2.5 Καμινάδα

Σημαντικό στοιχείο για την ορθή λειτουργία της καμινάδας είναι η

θερμοκρασία των απαερίων στην είσοδο αυτής, η οποία συνεισφέρει στην

αύξησης του ύψους των απαεριων μετά την έξοδο τους. Για τον λόγο αυτό

χρησιμοποιείται καταγραφικό θερμοκρασίας.

18.2.6 Αντλίες

Για την προστασία των αντλιών εφαρμόζεται ένα προστατευτικό σύστημα

ρύθμισης που ανακυκλώνει (ή απομακρύνει) το ρευστό εξόδου σε περίπτωση

απόφραξης των σωλήνων στο τμήμα εξόδου της αντλίας. Δηλαδή σε

περίπτωση υπέρμετρης αύξησης της πίεσης στο ρεύμα εξόδου εκτονώνεται η

πίεση με απομάκρυνση ή ανακύκλωση. Η παραπάνω ρύθμιση επιτυγχάνεται

με ρυθμιστικό ροής το οποίο καταγράφει την πίεση του ρεύματος εξόδου της

αντλίας και όταν αυτή αυξηθεί πάνω από κάποιο όριο ασφαλείας, δημιουργεί

μέσω της ρυθμιστικής βάνας, εκτόνωση πίεσης.

18.3 Συμβολισμός οργάνων

Για το συμβολισμό των οργάνων στο μεθοδολογικό διάγραμμα ροής

χρησιμοποιείται η μέθοδος της Instrument Society of America (ISA)[13]. Τα

σύμβολα των οργάνων φανερώνουν τη μετρούμενη μεταβλητή και τον

λειτουργικό σκοπό του οργάνου.

Τα πρώτα γράμματα που εμφανίζονται στις ονομασίες των οργάνων

καθορίζουν την μετρούμενη μεταβλητή και είναι τα εξής:

F: ροή (flow)

Ρ: πίεση (pressure)

L: στάθμη (level)

Τ: θερμοκρασία (temperature)

Το δεύτερο ή τρίτο γράμμα καθορίζει το λειτουργικό σκοπό του οργάνου. Τα

διάφορα όργανα χωρίζονται στις πιο κάτω κατηγορίες ανάλογα με τον

λειτουργικό τους σκοπό.

C: ρυθμιστής (controller)



G: ύαλος (glass)

S: ασφάλεια (safety)

Ι: μετρητής (indicator)

V: βαλβίδα (valve)

R: καταγραφέας (recorder)



ΚΕΦΑΛΑΙΟ 19 :ΕΠΙΛΟΓΗ ΘΕΣΗΣ ΚΑΙ ΧΩΡΟΤΑΞΙΚΗ ΔΙΕΥΘΕΤΗΣΗ

ΤΗΣ ΜΟΝΑΔΑΣ

19.1 Επιλογή θέσης

Για την επιλογή της θέσης μιας μονάδας λαμβάνονται υπόψη τόσο ποσοτικοί

όσο και ποιοτικοί παράγοντες. Αυτοί οι παράγοντες αναλύονται συνοπτικά

παρακάτω[14].

Έδαφος

Οποιαδήποτε βιομηχανική μονάδα πρέπει να εγκατασταθεί σε κάποια εδαφική

έκταση. Η έκταση αυτή πρέπει να είναι πολύ μεγαλύτερη απ' όση είναι

απαραίτητη για να εγκατασταθεί το ίδιο το εργοστάσιο. Έπειτα η έκταση αυτή

ενδέχεται να έχει κάποια χαρακτηριστικά όπως:

α) να έχει κατάλληλη υποδομή, δηλαδή να έχει ή να μπορεί να δημιουργηθεί

με μικρές σχετικά δαπάνες δίκτυο αποχετεύσεως, δίκτυο ηλεκτρικής

ενέργειας, δίκτυο τηλεφώνων κ.τ.λ. Οι βιομηχανικές ζώνες παρέχουν σχετικά

φθηνή υποδομή.

β) να έχει ειδική διαμόρφωση το έδαφος (εάν κρίνεται απαραίτητο) για να

τοποθετηθεί κάποια δεξαμενή ή να βρίσκεται κοντά σε ποτάμια, λίμνες ή

θάλασσα όταν οι απαιτήσεις σε νερό είναι μεγάλες.

γ) να μην υπάρχει το ενδεχόμενο δημιουργίας προβλημάτων με τους

περίοικους ή να μην υπάρχει ενόχληση από άλλο γειτονικό εργοστάσιο.

δ) η αξία της γης να μην είναι ιδιαίτερα υψηλή.

Πρώτες ύλες

Λόγω του είδους τους οι πρώτες ύλες δεν είναι συμμετρικά διεσπαρμένες.

Επομένως οι θέσεις τους επηρεάζουν άμεσα τις θέσεις των βιομηχανικών

μονάδων στις οποίες θα χρησιμοποιηθούν, ιδιαίτερα όταν αυτές έχουν μεγάλο

βάρος ή όγκο. Το κόστος των πρώτων υλών είναι ένα μεγάλο στοιχείο

δαπάνης και περιλαμβάνει τόσο το κόστος προμήθειας ή παραγωγής, όσο και

το κόστος μεταφοράς. Συνεπώς, το είδος ή τα είδη των πρώτων υλών που θα

χρησιμοποιηθούν, η χωροταξική τους κατανομή και το κόστος μεταφοράς



τους είναι στοιχεία που πρέπει να λαμβάνονται υπόψη με ιδιαίτερη βαρύτητα

στον καθορισμό της θέσεως μιας βιομηχανίας.

Εργασία

Όταν η βιομηχανία έχει ανάγκη για μεγάλο αριθμό προσωπικού και με ευρύ

φάσμα ειδικοτήτων, τότε μπορεί να εξυπηρετηθεί μόνο όταν βρίσκεται κοντά

σε μεγαλουπόλεις.

Κεφάλαιο και κίνητρα

Η δυνατότητα εξεύρεσης κεφαλαίων μεταβάλλεται χωροταξικά. Μικροί

επιχειρηματίες, πιο εύκολα μπορούν να πιστοδοτηθούν στην πόλη τους από

οπουδήποτε αλλού, αφού εκεί έχουν φίλους, συγγενείς και είναι γνωστοί στις

τράπεζες. Εξάλλου πρέπει να λαμβάνεται σοβαρά υπόψη το ενδεχόμενο να

μεταβάλλεται χωροταξικά το κόστος κατασκευής των εγκαταστάσεων. Τέλος,

το ελληνικό κράτος για τη συμμετρική βιομηχανική ανάπτυξη παρέχει διάφορα

οικονομικά και πιστοδοτικά κίνητρα για την τοποθέτηση της μονάδας σε

υποανάπτυκτες περιοχές.

Αγορά

Το μέγεθος και η θέση των αγορών παίζει σημαντικό ρόλο στη θέση της

βιομηχανίας. Κι αυτό γιατί διαμορφώνουν το κόστος μεταφοράς των

προϊόντων που δεν μπορεί να αγνοείται σε καμία περίπτωση. Πέρα από το

κόστος μεταφοράς μια επιχείρηση προσπαθεί να βρίσκεται σε επαφή με την

αγορά γιατί έτσι μπορεί να την επηρεάζει. Ακόμη πρέπει να έχει τη

δυνατότητα να βρίσκεται κοντά σε κρατικές υπηρεσίες. Σύμφωνα με τα πιο

πάνω η υπό μελέτη μονάδα επιλέγεται να εγκατασταθεί στη Θεσσαλονίκη και

συγκεκριμένα στη βιομηχανική περιοχή Σίνδου.

19.2 Χωροταξική διευθέτηση της μονάδας

Η χωροταξική διευθέτηση της μονάδας γίνεται με σκοπό να εξασφαλιστούν

τρεις κύριες απαιτήσεις:

1. Λειτουργικότητα

2. Οικονομικότητα

3. Ασφάλεια



Οι αρχές και οι διαδικασίες που διέπουν ένα τέτοιο σχεδιασμό είναι ασαφείς

και βασίζονται περισσότερο στην εμπειρία του σχεδιαστή, με αποτέλεσμα να

υπάρχει κίνδυνος για λάθος σχεδιασμό της έκτασης του συγκροτήματος. Σε

μία τέτοια περίπτωση επιβαρύνεται οικονομικά η διεργασία, γι' αυτό και

απαιτείται ιδιαίτερη προσοχή. Επειδή κάθε μονάδα έχει τις δικές της

ιδιαιτερότητες θα ακολουθήσουν γενικές αρχές προκειμένου να

ικανοποιηθούν με τον καλύτερο δυνατό τρόπο οι παραπάνω απαιτήσεις.

Αναλύοντας τις προαναφερθείσες απαιτήσεις όσον αφορά τη διάταξη της

μονάδας μπορούν να γίνουν οι ακόλουθες παρατηρήσεις:

1. Ο λειτουργικός σχεδιασμός της μονάδας είναι απαραίτητος για την

εύκολη διακίνηση των εργαζομένων και των μηχανημάτων.

Εξασφαλίζει την ομαλή λειτουργία της εγκατάστασης ενώ συγχρόνως

δημιουργεί αίσθημα ασφάλειας στους εργαζόμενους. Παράλληλα, σε

μία εργονομικά σχεδιασμένη εγκατάσταση είναι εύκολη η πρόσβαση

για επισκευή και συντήρηση των διαφόρων μηχανημάτων.

Συγκεκριμένα λαμβάνονται υπ' όψη:

Οι ανάγκες της διαδικασίας (π.χ. το μέγεθος κάθε συσκευής).

Η εξασφάλιση επαρκούς χώρου αλλά και εύκολης πρόσβασης για την

επιτέλεση ορισμένων εργασιών.

Ευκολία πρόσβασης σε στοιχεία που απαιτούν ιδιαίτερη προσοχή από

πλευράς λειτουργίας ή συντήρησης, όπως πίνακες ελέγχου, βάνες,

κινητήρες, συμπιεστές.

Πρέπει να υπάρχει εύκολη πρόσβαση σε οδικό και σιδηροδρομικό

δίκτυο, καθώς και σε δίκτυα νερού και αποχέτευσης.

Είναι απαραίτητη η ύπαρξη δύο τουλάχιστον κύριων δρόμων

προσέλευσης περιφερειακά της μονάδας, καθώς και δευτερευόντων οι

οποίοι να διασχίζουν τη μονάδα και να καθιστούν εύκολη την

πρόσβαση στα μηχανήματα. Οι δρόμοι πρέπει να είναι ευθείς, όπου

βέβαια αυτό είναι δυνατόν και να αποφεύγονται καμπύλες ή άλλοι

σχηματισμοί.

Οι σωληνώσεις και οι καλωδιώσεις θα πρέπει κατά κανόνα να

ακολουθούν την πορεία των ευθειών δρόμων. Σωληνώσεις με

διαφορετική κατεύθυνση τοποθετούνται σε διαφορετικό επίπεδο,



συνήθως ψηλά, έτσι ώστε να υπάρχει από κάτω αρκετός χώρος για τη

διέλευση οχημάτων.

Η αποθήκη των ανταλλακτικών πρέπει να βρίσκεται κοντά στη γραμμή

παραγωγής, ώστε να μπορεί να αντιμετωπιστεί αποτελεσματικά

οποιαδήποτε ανάγκη.

Ανάλογα με τις εκάστοτε ανάγκες η διάταξη των συσκευών πρέπει να

είναι συγκεντρωτική, εξασφαλίζοντας έτσι την καλύτερη

παρακολούθηση τους, ή μπορεί να γίνει σύμφωνα με το διάγραμμα

ροής (ανεπτυγμένη διάταξη). Στη συγκεκριμένη ακολουθούνται και οι

δύο μέθοδοι διάταξης όπου κρίνεται απαραίτητο.

2. Για την οικονομικότερη παραγωγική διαδικασία στη μονάδα είναι

απαραίτητο να ισχύουν τα εξής:

Η μεταφορά των υλικών κατασκευής, λειτουργίας και συντήρησης

πρέπει να γίνεται με τη μικρότερη προσπάθεια και τη μεγαλύτερη

δυνατή οικονομία. Η απαίτηση αυτή ικανοποιείται με τοποθέτηση των

κτιρίων και συσκευών με τέτοιο τρόπο, ώστε η ροή των πρώτων υλών

και των βοηθητικών παροχών να είναι συνεχής από το ένα τμήμα της

μονάδας στο άλλο, με την κατάλληλη σειρά και με τις μικρότερες

αποστάσεις μεταξύ των τμημάτων.

Οικονομικότερη διάταξη είναι εκείνη κατά την οποία το σχήμα της

μονάδας είναι ορθογωνικό.

Να υπάρχει ικανοποιητική διαθεσιμότητα των πρώτων υλών.

Να υπάρχει πρόβλεψη για τη δυνατότητα μελλοντικών επεκτάσεων της

μονάδας.

Οι συσκευές τοποθετούνται όσο το δυνατό πιο κοντά στο έδαφος για

μικρότερη δαπάνη εγκατάστασης και για ευκολότερη παρακολούθηση

και συντήρηση τους.

Η εύρεση κατάλληλου προσωπικού, (εργάτες, τεχνικό, επιστημονικό

και διοικητικό προσωπικό).

3. Για την ασφάλεια της μονάδας, στα πλαίσια της πρόληψης και

καταστολής του ατυχήματος, πρέπει να ληφθούν τα ακόλουθα μέτρα:

Μέτρα προστασίας των εργαζομένων κατά τη διάρκεια της εργασίας

τους.



Μέτρα για τον περιορισμό και τον έλεγχο επέκτασης πιθανού

ατυχήματος.

Δυνατότητα διαφυγής του προσωπικού σε περιπτώσεις κινδύνου.

Οι αποθήκες πρώτων υλών και προϊόντων πρέπει να βρίσκονται

μακριά από τα γραφεία για την προστασία των ανθρώπων που

εργάζονται στους χώρους αυτούς.

Εξασφάλιση εύκολης πρόσβασης σωστικών ομάδων και οχημάτων,

τουλάχιστον για τις ζώνες υψηλής επικινδυνότητας.

Το σύστημα πυρασφάλειας πρέπει να είναι επαρκές και να βρίσκεται

κοντά στις μονάδες που διατρέχουν τον υψηλότερο κίνδυνο.

Η διεύθυνση του ανέμου πρέπει να είναι τέτοια έτσι ώστε σε

περίπτωση φωτιάς να απομακρύνει τις φλόγες από τα γραφεία και τους

χώρους του προσωπικού.

Γενικά οι συσκευές που λειτουργούν σε συνθήκες με υψηλές

θερμοκρασίες είναι σκόπιμο να εγκαθίστανται μακριά από τις

υπόλοιπες συσκευές της μονάδας, όπως επίσης και από τους χώρους

διακίνησης του προσωπικού του εργοστασίου.

Μέτρα για την προστασία του περιβάλλοντος.

Ιδιαίτερη μέριμνα πρέπει να δοθεί και στην ηχορύπανση που μπορεί να

προκαλεί η μονάδα. Σημαντικό ρόλο στη μείωση της, παίζει η σωστή

χωροταξική διευθέτηση της μονάδας.

Αντικείμενο της χωροταξικής μελέτης είναι η οριοθέτηση των ελαχίστων

αποστάσεων μεταξύ των συσκευών αλλά και μεταξύ των διαφόρων σταδίων

της διεργασίας. Στον πιο κάτω πίνακα παρατίθενται οι βασικότεροι

περιορισμοί στις αποστάσεις που πρέπει να τηρούνται μεταξύ των διαφόρων

συσκευών.



Πίνακας 19.1: Αποστάσεις μεταξύ των συσκευών της μονάδας[17]

Αποστάσεις (ft) Συσκευές / Στοιχεία

Πλάγια Ύψος

Κύριοι δρόμοι 30 18

Δευτερεύοντες δρόμοι 25 16

Βάσεις αντλιών (<25hp) 2,5 12

Βάσεις αντλιών (>25hp) 3 14

Συμπιεστές 10 -

Ικρίωμα 15 16

Κατακόρυφα δοχεία 10 -

Οριζόντιοι εναλλάκτες 4 3

Αντιδραστήρες 50 -

Κτίρια από κύρια

διεργασία

250 -

Στο παρακάτω διάγραμμα φαίνεται η διευθέτηση της μονάδας σε σχέση με τη

διεύθυνση των ανέμων.

Διάγραμμα 19.1: Διευθέτηση της μονάδας σε σχέση με τη διεύθυνση των

ανέμων.



ΚΕΦΑΛΑΙΟ 20ο : ΑΝΘΡΩΠΟΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ

20.1 Επίδραση των πρώτων υλών και των τελικών προϊόντων στον

άνθρωπο και στο περιβάλλον

Οι πρώτες ύλες, τα ενδιάμεσα και τελικά προϊόντα, καθώς και τα απόβλητα

μιας βιομηχανικής εγκατάστασης συχνά εγκυμονούν πολλούς κινδύνους τόσο

για τον εργασιακό χώρο όσο και για το περιβάλλον.

Είναι γεγονός ότι η παραγωγή υδρογόνου και κατ' επέκταση ηλεκτρικής

ενέργειας από φυσικό αέριο θα μπορούσε, αντικαθιστώντας την καύση

πετρελαίου ή άνθρακα, να προσφέρει ουσιαστικό όφελος στην ατμόσφαιρα

και στην ανθρώπινη υγεία. Αυτό με την προϋπόθεση ότι η εγκατάσταση της

παραγωγής αυτής θα ήταν μακριά από κάθε ανθρώπινη δραστηριότητα.

Στη συνέχεια γίνεται μια παρουσίαση των επιπτώσεων των πρώτων υλών,

των βοηθητικών υλών (καταλύτες) και των προϊόντων της διεργασίας τόσο

στον άνθρωπο όσο και στο περιβάλλον:

Φυσικό Αέριο

Γενικά, το φυσικό αέριο προκαλεί άσθμα και αλλεργίες, παθήσεις πολύ

βλαβερές για άτομα που παρουσιάζουν κάποιας μορφής χημική ευαισθησία.

Επιπλέον, οι θεραπευτικές αγωγές που ακολουθούν τα άτομα αυτά δε θα

έχουν τα επιθυμητά αποτελέσματα αν στην οικία τους ή στην περιοχή όπου

ζούνε λαμβάνει χώρα μεταφορά - και ενδεχομένως διαρροή - φυσικού αερίου.

Επίσης, η εκτεταμένη χρήση του εγκυμονεί τον κίνδυνο ανάπτυξης

κρουσμάτων νέων μορφών άσθματος και άλλων αναπνευστικών λοιμώξεων.

Αυτοί που υποστηρίζουν λοιπόν ότι το φυσικό αέριο είναι ένας απόλυτα

οικολογικός ενεργειακός πόρος προφανώς αγνοούν τις παραπάνω σοβαρές

επιπτώσεις του στην υγεία

μας.

Ο κύριος όμως κίνδυνος που πηγάζει από τη χρήση φυσικού αερίου έχει να

κάνει με το ότι είναι ιδιαίτερα εύφλεκτο. Αυτό συνεπάγεται πως μια πιθανή

αποδέσμευση του εγκυμονεί τον κίνδυνο έκρηξης και πυρκαγιάς. Εδώ πρέπει

να σημειωθεί ότι το υγροποιημένο φυσικό αέριο κρύβει επιπλέον κινδύνους.



Συγκεκριμένα, έχει ιδιαίτερα χαμηλή θερμοκρασία, γεγονός άκρως επικίνδυνο

για κάθε έμβιο ον που έρχεται σε επαφή μαζί του (η επαφή του με την

ανθρώπινη επιδερμίδα προκαλεί κρυοπαγήματα και μη αναστρέψιμη

καταστροφή του ιστού). Επίσης, η διαφυγή ακόμα και μιας ελάχιστης

ποσότητας υγροποιημένου φυσικού αερίου παράγει μεγάλες ποσότητες

εύφλεκτου αερίου, ικανές για μια πολύ ισχυρή έκρηξη.

Για όλους τους παραπάνω λόγους και σε συνδυασμό με το ότι το φυσικό

αέριο είναι άοσμο, στο εμπορεύσιμο φυσικό αέριο προσδίδεται κάποιο άρωμα

με τη χρήση ειδικών ουσιών με χαρακτηριστική οσμή όπως η

τετραϋδροθειοφίνη, για λόγους ασφαλείας (π.χ. εύκολο εντοπισμό μιας

πιθανής διαρροής)[41].

Υδρογόνο

Το υδρογόνο σε συνδυασμό με οξυγόνο και άλλα στοιχεία σχηματίζει

εύφλεκτα κι εκρηκτικά μίγματα. Η προβλεπόμενη καθιέρωση του σαν

πρωτεύοντος ενεργειακού φορέα προϋποθέτει μια συγκριτική αξιολόγηση των

παροχών ασφαλείας του με τις αντίστοιχες άλλων καυσίμων. Το υδρογόνο

λόγω της χαμηλής του πυκνότητας έχει πολύ υψηλό συντελεστή διάχυσης.

Κατά συνέπεια, υπό τις ίδιες πάντα συνθήκες, μια ενδεχόμενη διαρροή

ορισμένης ποσότητας αερίου υδρογόνου θα ήταν 1,3 - 2,8 φορές μεγαλύτερη

από αυτή του αερίου μεθανίου και σχεδόν τέσσερις φορές από την αντίστοιχη

του αέρα (κανόνας: κάτι που είναι αεροστεγές, δε σημαίνει ότι είναι και

υδρογόνο-στεγές). Το αποδεσμευμένο υδρογόνο διασκορπίζεται γρήγορα και

με τυρβώδη μεταφορά, ελαττώνοντας έτσι τη διάρκεια της έκθεσης του χρήστη

σε κίνδυνο. Η στιγμιαία διασπορά εντούτοις ευνοεί το σχηματισμό αερίων

μιγμάτων εντός των επιτρεπομένων ορίων ανάφλεξης. Στις περισσότερες

εφαρμογές το χαμηλότερο όριο είναι ζωτικής σημασίας και συγκρίνεται με το

αντίστοιχο άλλων καυσίμων. Αν και η ελάχιστη ενέργεια ανάφλεξης των

αερίων μιγμάτων υδρογόνου είναι ιδιαίτερα χαμηλή, η αντίστοιχη εσωτερική

ενέργεια όλων σχεδόν των υπολοίπων καυσίμων είναι χαμηλότερη - συνεπώς

ο κίνδυνος ανάφλεξης κατά τη χρήση αυτών είναι μεγαλύτερος. Επιπλέον

είναι δυνατή η ανάφλεξη από καταλυτική δράση.



Οι φλόγες υδρογόνου είναι σχεδόν αόρατες στο φως της ημέρας. Η φωτιά του

διαρκεί περίπου στο ένα πέμπτο με ένα δέκατο του χρόνου που διαρκεί η

φωτιά των υδρογονανθράκων και είναι λιγότερο επώδυνη λόγω των

παρακάτω χαρακτηριστικών της: α) υψηλός ρυθμός καύσης που οφείλεται

στην υψηλή ταχύτητα διάδοσης και β) υψηλός ρυθμός σχηματισμού ατμών

από το υγρό υδρογόνο. Αν και η μέγιστη θερμοκρασία της φλόγας δεν

διαφέρει και πολύ από την αντίστοιχη των άλλων καυσίμων, η εκπεμπόμενη

θερμική ενέργεια ισούται με μέρος της αντίστοιχης του φυσικού αερίου. Λόγω

του ότι το μοναδικό προϊόν της καύσης είναι οι υδρατμοί, η εισπνοή καπνού

θεωρείται λιγότερο ζημιογόνος.

Το υδρογόνο δεν παρουσιάζει δυσμενείς επιπτώσεις στον οργανισμό. Δεν

είναι δηλητηριώδες. Η εισπνοή του προκαλεί υπνηλία. Περίπτωση ασφυξίας

υφίσταται μόνο αν εξαιτίας της συσσώρευσης υδρογόνου στον αέρα, η

περιεκτικότητα του τελευταίου σε οξυγόνο κατέβει κάτω από το 18% κ.ο. Η

άμεση επαφή του δέρματος με ψυχρό αέριο ή υγρό υδρογόνο προκαλεί

μούδιασμα, λεύκανσή του και κρυοπαγήματα. Ο κίνδυνος, για παράδειγμα,

είναι μεγαλύτερος από ότι με το υγρό άζωτο, εξαιτίας της χαμηλότερης

θερμοκρασίας υγροποίησης του υδρογόνου και της χαμηλότερης θερμικής

αγωγιμότητας του[39].

Καταλύτες

Σαν καταλύτες στη διαδικασία αναμόρφωσης χρησιμοποιούνται ενώσεις

νικελίου και αργιλίου. Το μεταλλικό νικέλιο σε μορφή σκόνης είναι ιδιαίτερα

εύφλεκτο. Όλες οι ενώσεις του θεωρούνται τοξικές (ιδιαίτερα για τα φυτά), ενώ

ορισμένες από αυτές είναι καρκινογόνες και τερατογόνες. Το αργίλιο σε

μορφή σκόνης είναι εύφλεκτο, ενώ οι ενώσεις του χαρακτηρίζονται τοξικές.

Επιπλέον, η παρουσία του μπορεί να σχετίζεται και με τη νόσο του

Αλτσχάιμερ.

Στους αντιδραστήρες shift χρησιμοποιούνται σαν καταλύτες ενώσεις χρωμίου,

σιδήρου, χαλκού και ψευδαργύρου. Το χρώμιο είναι ένα εύφλεκτο υλικό, όλες

οι ενώσεις του οποίου χαρακτηρίζονται εξαιρετικά τοξικές και καρκινογόνες.

Γενικά, οι ενώσεις του χρωμίου είναι ιδιαίτερα ρυπογόνες. Ο σίδηρος και ο

χαλκός σε μορφή μεταλλικής σκόνης είναι εύφλεκτα υλικά. Οι ενώσεις τους



θεωρούνται τοξικές, ενώ κάποιες από αυτές και καρκινογόνες. Ο μεταλλικός

ψευδάργυρος ερεθίζει την ανθρώπινη επιδερμίδα, είναι ιδιαίτερα εύφλεκτος,

αλλά είναι μη τοξικός. Οι πιο συνηθισμένες ενώσεις του δεν είναι πολύ

τοξικές, εντούτοις κάποια άλατα του μπορεί να είναι καρκινογόνα. Η

περιβαλλοντική μόλυνση από καυσαέρια εργοστασίων μπορεί να προκαλέσει

ασθένεια στους πνεύμονες[2].

Διοξείδιο του Άνθρακα

Το διοξείδιο του άνθρακα, που είναι το σημαντικότερο παραπροϊόν της

διεργασίας παραγωγής υδρογόνου από φυσικό αέριο, σε συνθήκες

περιβάλλοντος είναι ένα αέριο άχρωμο, άοσμο και μη εύφλεκτο.

Είναι ένα συστατικό που υπάρχει στο ανθρώπινο σώμα και συντελεί σε

ορισμένες σημαντικές λειτουργίες του (διατήρηση του σταθερού ρΗ του

αίματος, εσωτερική αναπνοή). Παρ’ όλ' αυτά, στην περίπτωση που η

συγκέντρωση του στην ατμόσφαιρα υπερβεί ένα συγκεκριμένο όριο γίνεται

βλαβερό για τον άνθρωπο, λόγω του ότι είναι ασφυξιογόνο, ενώ μπορεί να

προκαλέσει βλάβη και στους νεφρούς.

Σε ό,τι αφορά τις επιπτώσεις του διοξειδίου του άνθρακα στο περιβάλλον

αξίζει να σημειωθεί ότι, λόγω των ανθρώπινων δραστηριοτήτων, η

συγκέντρωση του στην ατμόσφαιρα έχει αυξηθεί αισθητά τα τελευταία 150

χρόνια (βιομηχανική επανάσταση και έπειτα). Συγκεκριμένα, η αύξηση αυτή

οφείλεται τόσο στη χρησιμοποίηση των ορυκτών καυσίμων για την παραγωγή

ενέργειας και τις μεταφορές, όσο και στην ταυτόχρονη καταστροφή των

δασών. Ενδεικτικά αναφέρεται ότι οι εκπομπές του διοξειδίου του άνθρακα

στην ατμόσφαιρα έχουν αυξηθεί από τα 280 ppm το 1850 στα 364 ppm τη

δεκαετία του '90. Ένα από τα κυριότερα προβλήματα που δημιουργεί η

αυξημένη συγκέντρωση του διοξειδίου του άνθρακα στην τροπόσφαφα είναι

το φαινόμενο του θερμοκηπίου. Σύμφωνα με το φαινόμενο αυτό η θερμότητα

που μεταφέρεται από τις ακτίνες του ήλιου στην επιφάνεια της γης

παγιδεύεται από το νέφος που δημιουργούν τα αέρια θερμοκηπίου (διοξείδιο

του άνθρακα και άλλα αέρια όπως οξείδια του αζώτου, μεθάνιο και

χλωροφθοράνθρακες) με αποτέλεσμα την αύξηση της θερμοκρασίας σε αυτή.



Εδώ αξίζει να αναφερθεί ότι στο φαινόμενο αυτό οφείλεται η ύπαρξη ζωής στη

γη - αν δεν υπήρχε όλη η γη θα ήταν καλυμμένη από πάγους -, αλλά η

υπερβολική έκλυση των αερίων αυτών στην ατμόσφαιρα τα τελευταία 150

χρόνια έχει διαταράξει το κλίμα της γης, προκαλώντας την «παγκόσμια

υπερθέρμανση». Η τελευταία εκτιμάται ότι στο μέλλον ίσως προκαλέσει το

λιώσιμο των πάγων στους πόλους, καθώς και άλλα περιβαλλοντικά

προβλήματα.

Όπως είναι φυσικό, οι συνεχώς αυξανόμενες ποσότητες εκπομπών διοξειδίου

του άνθρακα προέρχονται κυρίως από τις βιομηχανικά ανεπτυγμένες χώρες,

όπως οι Ηνωμένες Πολιτείες και η Ευρωπαϊκή Ένωση. Για το λόγο αυτό οι

ηγέτες των κρατών είχαν συγκεντρωθεί στο Kyoto της Ιαπωνίας το Δεκέμβριο

του '97 ώστε να υπογράψουν μία παγκόσμια συνθήκη, η οποία όριζε

κάποιους περιορισμούς στις εκπομπές των αερίων θερμοκηπίου. Δυστυχώς

και ενώ η συνθήκη αυτή έχει ισχύ, η ηγεσία των ΗΠΑ προσπαθεί να την

παρακάμψει[44].

20.2 Υγιεινή και Ασφάλεια

Μέτρα Πρόληψης

Κάθε βιομηχανική μονάδα οφείλει σύμφωνα με το νόμο 1568/1985 (Φ.Ε.Κ.

1977) να διαθέτει μια υπηρεσία, η οποία απαρτίζεται από μια επιτροπή

υγιεινής και ασφάλειας εργασίας (ΕΥΑΕ), έναν τεχνικό ασφαλείας και ένα

γιατρό εργασίας. Η επιτροπή υγιεινής και ασφάλειας εργασίας (ΕΥΑΕ) έχει τις

παρακάτω αρμοδιότητες:

Μελετά τις συνθήκες εργασίας στην επιχείρηση, προτείνει μέτρα για τη

βελτίωση τους, παρακολουθεί την τήρηση των μέτρων υγιεινής και

ασφάλειας και συμβάλλει στην εφαρμογή τους από τους εργαζόμενους.

Προτείνει σε περιπτώσεις εργατικών ατυχημάτων τα κατάλληλα μέτρα

για την αποτροπή επανάληψης τους.

Ενημερώνεται από τη διοίκηση της επιχείρησης για τα εργατικά

ατυχήματα και τις επαγγελματικές ασθένειες που συμβαίνουν, καθώς

και για την εισαγωγή νέων παραγωγικών διαδικασιών, μηχανημάτων,

εργαλείων και υλικών ή για τη λειτουργία νέων εγκαταστάσεων, στο



μέτρο που επηρεάζουν τις συνθήκες υγιεινής και ασφάλειας της

εργασίας.

Σε περίπτωση άμεσου και σοβαρού κινδύνου καλεί τον εργοδότη να

λάβει τα ενδεικνυόμενα μέτρα, χωρίς να αποκλείεται και η διακοπή

λειτουργίας μηχανήματος ή εγκατάστασης ή παραγωγικής διαδικασίας.

Αντίστοιχα οι αρμοδιότητες του τεχνικού ασφαλείας είναι οι ακόλουθες:

Ελέγχει την ασφάλεια των εγκαταστάσεων και των τεχνικών μέσων

πριν από τη λειτουργία τους, καθώς και των παραγωγικών διαδικασιών

και μεθόδων εργασίας πριν την εφαρμογή τους. Δίνει επίσης

συμβουλές σε θέματα σχεδιασμού, προγραμματισμού, κατασκευής και

συντήρησης των εγκαταστάσεων και γενικά οργάνωσης της

παραγωγικής διαδικασίας.

Επιθεωρεί τακτικά τις συνθήκες εργασίας από πλευράς υγιεινής και

ασφάλειας ενώ παράλληλα επιβλέπει την ορθή χρήση των ατομικών

μέσων προστασίας.

Ερευνά τις αιτίες των εργατικών ατυχημάτων και παρουσιάζει νέες

προτάσεις για την αποτροπή μελλοντικών παρόμοιων ατυχημάτων.

Εξετάζει αν οι εργαζόμενοι τηρούν τους κανόνες υγιεινής και ασφάλειας

και παρακολουθεί την εκτέλεση ασκήσεων πυρασφάλειας και

συναγερμού για τη διαπίστωση της ετοιμότητας τους σε περίπτωση

παρόμοιων ατυχημάτων.

Επειδή κάθε βιομηχανία έχει τις δικές της ιδιαιτερότητες, υπάρχουν ορισμένες

βασικές αρχές οργάνωσης, οι οποίες εφαρμόζονται σε όλες σχεδόν τις

βιομηχανικές μονάδες. Για τον σκοπό αυτό υπάρχει η υπηρεσία οργάνωσης

βιομηχανικής ασφάλειας, που έχει ως στόχο τη διατήρηση όλου του

προσωπικού σε διαρκή ετοιμότητα έτσι ώστε να επιτευχθεί η πρόληψη των

ατυχημάτων στο μέγιστο δυνατό βαθμό. Οι αρμοδιότητες της υπηρεσίας

αυτής συνίστανται στα εξής:

Στον έλεγχο διαφόρων εξαρτημάτων και κυρίως ορισμένων καίριων

σημείων της μονάδας σε τακτά χρονικά διαστήματα καθώς και στη

μελέτη των εξαγόμενων συμπερασμάτων κάθε ελέγχου.



Στην παρακολούθηση και έρευνα των ατυχημάτων. Όλα τα ατυχήματα

ακόμη και τα πιο μικρά πρέπει να αναφέρονται, ώστε να αποφεύγεται

όσο είναι δυνατόν η επανάληψη τους. Επίσης πρέπει να αναφέρονται

και γεγονότα, τα οποία αν και δεν προκάλεσαν ατύχημα, θα

μπορούσαν να προκαλέσουν και είναι τα λεγόμενα "παρ' ολίγον

ατυχήματα", από την ανάλυση των οποίων εξάγονται πολύτιμα

συμπεράσματα.

Στην ιατρική παρακολούθηση των εργαζομένων: Κατά την πρόσληψη

του προσωπικού πρέπει να γίνεται προληπτική ιατρική εξέταση, καθώς

επίσης και παροδικές ιατρικές εξετάσεις κατά τα έτη της εργασίας του.

Θα πρέπει οπωσδήποτε να αποκλείονται παράγοντες που μπορούν να

προκαλέσουν ατύχημα ή οποιαδήποτε ασθένεια, όπως π.χ.

τοποθέτηση ατόμων σε ακατάλληλες, λόγω προβλημάτων υγείας,

θέσεις.

Μέτρα Αντιμετώπισης

Είναι φανερό ότι τόσο οι πρώτες ύλες όσο και τα προϊόντα είναι εύφλεκτες

ουσίες και χρειάζεται να ληφθούν τα απαραίτητα μέτρα κατά το σχεδιασμό και

τη λειτουργία της μονάδας, ώστε να αποφευχθούν όλες οι δυσάρεστες

επιπτώσεις που προκαλούνται από κάποιο ατύχημα. Τα κυριότερα μέτρα

ασφάλειας που ακολουθούνται είναι τα εξής:

Ύπαρξη συστήματος πυρασφάλειας με νερό (κυρίως κοντά στις

αποθήκες).

Οι αποθήκες των πρώτων υλών και των προϊόντων τοποθετούνται

πάντα μακριά από τα γραφεία και τον κύριο εξοπλισμό.

Οι αποθήκες είναι πάντα εφοδιασμένες με πυροσβεστήρες στους

οποίους η πρόσβαση πρέπει να γίνεται με ευκολία.

Εκτεταμένος αερισμός των αποθηκών και των χώρων εργασίας.

Σε περιπτώσεις διαρροών (κυρίως των αέριων πρώτων υλών) συνιστάται:

Ψεκασμός νερού για τη διασπορά του νέφους.

Όταν τα αέρια που διαρρέουν "έρπουν", τότε μπορούν να

αποθηκευτούν προσωρινά σε λεκάνες ασφαλείας, των οποίων η

κατασκευή έχει προβλεφθεί κατά τον αρχικό σχεδιασμό της μονάδας.



Εάν το αέριο που διαρρέει παρέχεται υπό πίεση, τότε ο αγωγός

καλύπτεται με νερό, ώστε να αποφευχθεί η υπερβολική αύξηση της

θερμοκρασίας του και κατά συνέπεια η πιθανότητα έκρηξης. Ιδιαίτερη

προσοχή πρέπει να δοθεί ώστε το μολυσμένο νερό να μην εισέλθει στο

αποχετευτικό σύστημα της μονάδας, για την αποφυγή της μόλυνσης

των υπόγειων υδάτων.

Σε περιπτώσεις πυρκαγιάς, οφείλουν να τηρούνται οι παρακάτω κανόνες

ασφάλειας:

Άμεσος συναγερμός και ταυτόχρονη ειδοποίηση της Πυροσβεστικής

Υπηρεσίας.

Διακοπή παροχής ηλεκτρικού ρεύματος.

Συνεχής διαβροχή με νερό των συσκευών που βρίσκονται κοντά στην

εστία της πυρκαγιάς και περιέχουν εύφλεκτες ουσίες.

Ενημέρωση Πυροσβεστικής Υπηρεσίας για το είδος των υλικών που

καίγονται.

Η αντιμετώπιση της πυρκαγιάς στη μονάδα παραγωγής υδρογόνου γίνεται

κυρίως με τα εξής μέσα: νερό, αφρό, διοξείδιο του άνθρακα και διάφορα ξηρά

μέσα. Επιπλέον, λόγω του ότι οι περισσότερες συσκευές λειτουργούν σε

συνθήκες σχετικά υψηλής πίεσης, σε πολλά σημεία της γραμμής παραγωγής

είναι απαραίτητη η παρουσία βαλβίδων εκτόνωσης που τίθενται σε λειτουργία

αυτόματα σε περίπτωση που αυξηθεί επικίνδυνα η πίεση. Τα αέρια που

προκύπτουν από την εκτόνωση συλλέγονται σε ειδικό δοχείο και στη συνέχεια

οδηγούνται στον καυστήρα[4].



21. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ-ΣΧΟΛΙΑ

Η υπό μελέτη βιομηχανία σχεδιάζεται για δυναμικότητα 120000 tn/yr υδρογόνου. Η τεχνολογία που επιλέχθηκε (αναμόρφωση φυσικού αερίου με ατμό) διακρίνεται για την απλότητα, την ευκολία στη χρήση της και την υψηλή απόδοση της στο επιθυμητό προϊόν. Από την οικονομική μελέτη και τον σχεδιασμό της μονάδας, που πραγματοποιήθηκε, προκύπτει ότι η συγκεκριμένη μονάδα είναι οικονομικά βιώσιμη. Το συμπέρασμα αυτό εξάγεται από τον υπολογισμό των οικονομικών κριτηρίων. Η αξία εγχειρήματος που αποτελεί και το πιο αυστηρό οικονομικό κριτήριο βγήκε θετική. Επίσης υπολογίστηκαν θετικά η καθαρή παρούσα άξια και ο λόγος ωφελειών–κόστους που αποτελούν σημαντικά κριτήρια για την αξιολόγηση μιας επένδυση. Επιπροσθέτως η απόδοση με βάση την αρχική επένδυση (ROI) βρίσκεται σε αποδεκτά επίπεδα. Λαμβάνοντας υπόψη και το γεγονός ότι ο χρόνος εξόφλησης κεφαλαίων (POT) είναι αρκετά μικρότερος του ορίου των 5 ετών, τότε η μονάδα παραγωγής υδρογόνου είναι οικονομικά βιώσιμη. Λόγω της μεγάλης δυναμικότητας της μονάδας (120000tn/yr), τα έσοδα από τις πωλήσεις του προϊόντος είναι υψηλά, επομένως τα ετήσια καθαρά κέρδη είναι αυξημένα. Για τον λόγο αυτό μια τέτοια επένδυση κρίνεται οικονομικά συμφέρουσα Κατά τη διάρκεια της οικονομικής μελέτης έχουν γίνει κάποιες παραδοχές και

υποθέσεις οι οποίες εισάγουν ορισμένα σφάλματα. Αυτές είναι οι ακόλουθες:

Ο υπολογισμός της πάγιας επένδυσης βασίζεται στο κόστος του

εγκατεστημένου μηχανολογικού εξοπλισμού και προκύπτει ως κάποιο

ποσοστό αυτού, από πίνακες της βιβλιογραφίας. Η μέθοδος αυτή δίνει

αξιόπιστα αποτελέσματα, απαιτεί όμως ιδιαίτερη προσοχή στην

κοστολόγηση των διαφόρων συσκευών από τη βιβλιογραφία.

Για το κόστος του μηχανολογικού εξοπλισμού χρησιμοποιήθηκαν μέσες

τιμες από την βιβλιογραφία.

Η μέθοδος Wessel που χρησιμοποιήθηκε για τον υπολογισμό των

εργατικών είναι εμπειρική.

Η παραδοχή των σταθερών χρηματοροών κατά τη διάρκεια ζωής της

επιχείρησης δεν μπορεί σε καμία περίπτωση να είναι ρεαλιστική, γιατί

επηρεάζονται από τον πληθωρισμό.

Τα σφάλματα που προκύπτουν από τις πιο πάνω παραδοχές και υποθέσεις

δεν είναι σε θέση να αλλοιώσουν την εγκυρότητα του αποτελέσματος.

Επομένως η τεχνικο-οικονομική μελέτη καταδεικνύει τη βιωσιμότητα,

αποδοτικότητα και ανταγωνιστικότητα της βιομηχανικής εγκατάστασης.



ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

Ελληνική βιβλιογραφία

1. Ασσαέλ Ι.Μ., Μαγγιλιώτου, Χ.Μ. (1998), "Φυσικές Διεργασίες, Εισαγωγή

στον υπολογισμό τους", Εκδόσεις Τζιόλα, Θεσσαλονίκη.

2. Βασάλος Ι. Α., Λεμονίδου Α., "Σημειώσεις Ενεργειακές Πρώτες Ύλες",

Θεσσαλονίκη 2002.

3. Ζούλιας Ε. Ι., Λυμπερόπουλος Ν., Βαρκαρακη Ε., "Υδρογόνο: Ο

Ενεργειακός Φορέας του Μέλλοντος", Δελτίο Πανελληνίου Συλλόγου

Χημικών Μηχανικών, Ιούνιος-Ιούλιος 2002, Τεύχος 152, pp. 28-34.

4. Καμπασακάλης Β. (2001), "Υγιεινή και Ασφάλεια στη Βιομηχανία-

Σημειώσεις", Υπηρεσία Δημοσιευμάτων, Α.Π.Θ.

5. Καράμπελας Α.Ι. (2002), "Εισαγωγή στο Σχεδιασμό Χημικών

Εγκαταστάσεων", Σημειώσεις, Α.Π.Θ.

6. Καστρινάκης Γ.Ε., (1999), "Μηχανικές Φυσικές Διεργασίες", Εκδόσεις

Τζιόλα, Θεσσαλονίκη.

7. Κυπαρισσίδης Κ. (1994), "Ανάλυση και Σχεδιασμός των Ομογενών

Χημικών Αντιδραστήρων", Εργαστήριο Β' Χημικής Μηχανικής, Υπηρεσία

Δημοσιευμάτων, Α.Π.Θ.

8. Κυπαρισσίδης Κ. (1999), "Ρύθμιση των Χημικών Διεργασιών", Εργαστήριο

Β' Χημικής Μηχανικής, Υπηρεσία Δημοσιευμάτων, Α.Π.Θ.

9. Κυπαρισσίδης Κ. (2001), "Δυναμική Ανάλυση των Συστημάτων",

Σημειώσεις από το μάθημα Εργαστήριο Β' Χημικής Μηχανικής, Υπηρεσία

Δημοσιευμάτων, Α.Π.Θ.

10. Μαρκόπουλος Ι.Ν. (1997), "Μεταφορά Μάζας", 2η Έκδοση, University

Studio Press.

11. Μήτρακας Μ. (2001), "Ποιοτικά Χαρακτηριστικά και Επεξεργασία Νερού",

Εκδ. Τζιόλα

12. Σακελαρόπουλος Π.Γ. (2002), "Σημειώσεις Καταλυτικών Διεργασιών",

Εργαστήριο Γενικής Χημικής Τεχνολογίας, Υπηρεσία Δημοσιευμάτων,

Α.Π.Θ.

13. Σαραβάκος Γ.Δ. (1978), "Σύμβολα διαγραμμάτων ροής χημικών

βιομηχανιών", Εργαστήριο: Τεχνικής Φυσικών Διεργασιών, Ε.Μ.Π.



14. Ψωινός Π.Δ. (1997), "Οργάνωση και Διοίκηση Εργοστασίων", Α τόμος,

Εκδόσεις Ζήτη, Θεσσαλονίκη.

15.Σημειωσεις Εργαστηρίου Χημικών Εγκαταστάσεων, Τμημα Χημικων

Μηχανικων,ΑΠΘ (2004)

Ξενόγλωσση Βιβλιογραφία

15. Amos Wade (1998), "Costs of Storing and Transporting Hydrogen",

National Renewable Energy Laboratory, Colorado.

16. Anonymous, "Economic Indicators, Chemical Engineering Plant Cost

Index", Chemical Engineering, January 2003, pp. 96.

17. Baasel D.W. (1990), "Preliminary Chemical Engineering Plant Design",

2nd Ed., Van Nostrand Reinhold, N.Y.

18. Campbell J.M., "Gas Conditioning and Processing", Engineering

Counselor.

19. De Nevers N. (2000), "Air Pollution Control Engineering", 2nd Ed.,

McGraw-Hill International Edition.

20. Douglas M.J. (1988), "Conceptual Design of Chemical Processes",

McGraw-Hill, Singapore.

21. Duane B.Myers, Gregory D. Ariff, Brian D. James, John S. Lettow, C.E.

(Sandy) Thomas, & Read C. Kuhn, (April 2002), "Cost and Performance

Comparison of Stationary Hydrogen Fueling Appliances", Directed

Technologies INC (Εργασία που δόθηκε από Ko. Ι. Α. Βασάλο).

22. Evans, F.L. Jr. (1983), "Equipment Design Hanbook for Refineries and

Chemical Plants", 2nd Ed., Vol. 1.2, Gulf Publ. Co.

23. Garrett D.E. (1989), "Chemical Engineering Economics", Van Nostrand

Reinhold Publ., N.York.

24. Gilbert F., Froment, Keneth B., Bischoff," Chemical Reactor Analysis and

Design".

25. Godwin L.G., "Spray Drying Hanbook", 3rd Ed., K. Masters.

26. Kern Q.D. (1965), "Process Heat Transfer", McGraw-Hill Kogakusha LTD.

27. Kiely G. (1997), "Environmental Engineering", McGraw-Hill International

Edition.



28. Kirk R., Othmer D. (1964), «Encyclopedia of Chemical Technology", 2nd

Ed., Vol.13, John Wiley & Sons, N. York.

29. Kohl A.L., Riesenfeld F.C. (1960), "Gas Purification", McGraw - Hill Book

Company.

30. Lide D.R. (1993-1994), "Handbook of Chemistry and Physics", 74th

Edition, Associate Edition.

31. McCabe W.L., Smith J.C, Harriott P. (2002), "Βασικές Διεργασίες Χημικής

Μηχανικής", 6η Έκδοση, Εκδόσεις Τζιόλα.

32. Perry R.H., Green D. (1984), "Perry' s Chemical Engineers' Handbook",

5th Ed., McGraw-Hill.

33. Peters M.S., Timmerhaus K.D. (2002), "Σχεδιασμός και Οικονομική

Μελέτη Εγκαταστάσεων για Μηχανικούς", 4th Ed., Εκδόσεις Τζιόλα,

Θεσσαλονίκη.

34. Race F.Howard (1977), "Chemical Reactor Design For Process

Plants",Vol.2, Case Studies And Design Data,Wiley-Interscience.

35. Stephanopoulos G. (1999), "Ρύθμιση των Χημικών Διεργασιών",

(Ελληνική Μετάφραση), Υπηρεσία Δημοσιευμάτων Α.Π.Θ.

36. Ullmann F.(1985), "Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 5th

Edition, Volumes 9,13, Wolfgang Gerhartz, VCH.

37. Vatavuk M.W. (1990), "Estimating costs of air pollution", Lewis Publishers,

Michigan.

38. Walas S.M. (1988), "Chemical Process Equipment: Selection and

Design", Butterworths Publishers, Boston.

Διευθύνσεις Διαδικτύου

39. www.airliquid.com

40. www.chem.msu.edu/classes/fo3/433/design2.doc

41. www.depa.gr

42. www.excelwater.com

43. www.lenntech.com

44. www.oas.org

45. www.raindancewatersystems.com

46. www.rndkorea.co.kr

Documents

Οικονομοτεχνική μελέτη σχεδιασμού και εγκατάστασης βιομηχανικής μονάδας υδρογόνου από φυσικό αέριο