اکسرژی نشان­دهنده پتانسیل واقعی یک سیستم برای انجام کار مطلوب است، بنابراین، آنالیز برمبنای اکسرژی هنگامی که گونه های مختلف انرژی در مقایسه با هم هستند˓ مهم می باشد. آنالیز اکسرژی می تواند در شناسایی عوامل˓ موقعیت­ها و مقدار ناکارآمدی های سیستم مفید باشد. وقتی سیستمی از حالت ایده آل انحراف پیدا می کند تلفات در آن سیستم رخ می دهد.

شناسایی مقدار تلفات و علت آن ها بسیار مهم بوده و در افزایش راندمان اکسرژی موثر است. تلفات اکسرژی مقدار کمی انحراف از حالت ایده ال را نشان می‌دهد که ناشی از اتلاف اکسرژی منتشر شده و یا در اثر برگشت‌ ناپذیری داخلی در فرایند می‌باشند.
دراین فصل مفهوم اکسرژی، راندمان اکسرژی و تلفات اکسرژی بیان شده و انواع اکسرژی جنبشی، پتانسیل، الکتریکی و… معرفی شده اند.
۳-۲- مفهوم اکسرژی
جهت درک بهتر مفهوم اکسرژی ، بیان تفاوت ماده و انرژی ضروری است. انرژی و ماده فقط می توانند به اشکال مختلف تبدیل شوند و نمی ­توانند ایجاد و یا مصرف شوند و این یک اصل کلی در طبیعت است.
نیرو محرکه جریان انرژی و ماده در سیستم، کیفیت است. کیفیت انرژی و ماده به طور مداوم در جریان عبور به درون سیستم رو به هدر رفتن است. این وضعیت در صورتی است که جریان یک مسیر مشخص داشته باشد و به زمان وابسته باشد. هنگامی که انرژی و ماده در داخل یک سیستم جریان دارند، بخش بسیار کوچک آن در سیستم واقعی ذخیره می­ شود و از طرفی یک تعادل بین ماده و انرژی وجود دارد.
انرژی و ماده تنها به عنوان حامل کیفیت عمل می کنند و این کیفیت است که در طول تبدیل ماده و انرژی تحلیل می­رود. با توجه به این مطلب، تنها کیفیت است که می ­تواند تولید یا مصرف شود.
انرژی و ماده تمایل به توزیع در بیش از یک مکان را دارند، بنابراین رفته رفته نیرومحرکه در سیستم از بین می­رود. یک مثال برای این موضوع ارائه می­ شود. جریان گرم و سرد هرکدام کیفیتی دارند، نیرو محرکه این دو جریان به وسیله اختلاف دما بین آن­ها مشخص می‌شود. حال اگر این دوجریان با هم مخلوط شوند یک جریان ولرم ایجاد می­ شود. جریان ولرم فاقد نیرو محرکه است و بنابراین کیفیت پایین­تری از جریان اصلی دارد. این کمیت به عنوان افزایش انتروپی برای کل سیستم بیان شده است. در جریان یک ماده در سیستم به جای این که بیان شود کیفیت کاهش پیدا کرده می­توان گفت عدم کیفیت افزایش یافته، یا انتروپی افزایش یافته است. مفهوم انتروپی اندازه ­گیری عدم کیفیت است. با توجه به این مفهوم، انتروپی یک معنی منفی می­دهد. تعریفی که در مقابل انتروپی ارائه شده و از اندازه ­گیری مستقیم کیفیت به دست می آید، نژنتروپی^[۵] است. وقتی که کیفیت مصرف شده یا تلف شده، در واقع نژنتروپی مصرف شده است ]۳۲[.
حال این سؤال مطرح می شود که چگونه می­توان کیفیت یک سیستم یا جریان انرژی و ماده را اندازه گرفت. ارزیابی بخش مفید انرژی، بخشی که می ­تواند کار مکانیکی انجام دهد، در واقع ارزیابی کیفیت انرژی است و این موضوع از سا­ل­ها پیش مورد توجه دانشمندان بوده است.
رانت در سال ۱۹۵۳ پیشنهاد کرد که ترم اکسرژی باید به معنی ظرفیت کار فنی استفاده شود. تعریف کامل توسط بایهر ارائه شد: اکسرژی بخشی از انرژی است که قابل تبدیل به شکل های دیگر انرژی است. اکسرژی یک سیستم در یک محیط خاص میزان حداکثر کار مکانیکی است که می تواند از سیستم در این محیط خارج شود. کار مکانیکی که مورد توجه قرار گرفته تنها به عنوان نمونه ­ای از شکل انرژی کاملاً منظم شده می­باشد یعنی انتروپی آن برابر صفر است. این تنها بخش مفید انرژی است که می ­تواند به تمامی اشکال دیگر انرژی تبدیل شود. تعریف بایهر بدیهی و بسیار کلی است و نه تنها انرژی بلکه ماده را نیز شامل می­ شود ]۳۲[.
ایوانس نشان داد که اکسرژی در خود مفاهیم ترمودینامیکی دیگری نیز جای داده است. پتانسیل­های ترمودینامیکی شبیه به اکسرژی هستند اما دامنه محدودتری دارند. انرژی آزاد گیبس، انرژی آزاد هلمهولتز و انتالپی همه موارد خاصی از اکسرژی هستند. به بیان ساده تر می توان اکسرژی را اینگونه نیز تعریف کرد:]۳۲[
اکسرژی ماکزیمم کار در دسترس است، زمانی که فرم های مختلف انرژی بصورت برگشت پذیر به یک سیستم انتقال می یابد و در تعادل ترمودینامیکی با محیط اطراف می باشند و توانایی انجام کار را ندارند. همچنین می توان اکسرژی را فاصله سیستم از تعادل جهانی تعریف کرد. از آنجا که اکسرژی مصرف می شود، شرایط متغیرهای دما، فشار و درصد ترکیب سیستـم به متغیرهای مشابه در محیط نـزدیک می شوند. بنابراین، شرایط مرجع شرایط مرده نامیده می شود. اکسرژی کلی جریانهای چند جزئی از حاصل جمع سه شرایط زیر محاسبه می شود:]۲۵[
تغییر اکسرژی حاصل از اختلاط
اکسرژی شیمیایی
اکسرژی فیزیکی
اکسرژی حاصل از اختلاط، از ترکیب جریان های هم دما و هم فشار در شرایط فرآیندی واقعی ناشی می شود.
اکسرژی شیمیایی تفاوت پتانسیل شیمیایی مابین اجزاء فرایند و پارامترهای مرجع، غلظت، دما و فشار در محیط اطراف آن ها می­باشد.
اکسرژی فیزیکی بیشترین میزان کار محوری قابل حصول (مانند انرژی الکتریکی) می باشد که در آن جریان از شرایط فرآیندی (T,P) با استفاده انتقال حرارت برگشت پذیر به تعادل با دمای محیط می رسد.
استفاده زیاد از منابع انرژی و ماده براساس بهره ­برداری معدنی با تکنولوژی امروز، نمی­تواند با سالم ماندن محیط زیست همراه باشد. این وضعیت را می­توان تنها با تغییر اهداف تغییر داد. مفاهیم اساسی و روش­های علمی برای توصیف واقعیت باید نقش مهمی در روند این تغییرات بازی کنند. بنابراین با در نظر گرفتن اهمیت انرژی و بهینه سازی آن در عصر امروز، توجه به مفهوم اکسرژی مهم و ضروری است. مفهوم اکسرژی نه تنها به خاطر مطالعه راندمان و کارایی سیستم­ها بلکه به خاطر محاسبات و تحلیلهای اقتصادی بسیار مفید است. استفاده از محتـوای اکسرژی به عنوان پایه­ای برای حسابرسی هزینه­ها و مدیریت برای قیمت­ گذاری محصـولات و ارزیابی سود آنها مهـم است. به این ترتیب اکسرژی تنها اساس عقلانی برای ارزیابی منابع و سوخت ها، سیستم ها و بازدهی آن­ها می‌باشد]۳۲[
۳-۳- مقایسه انرژی و اکسرژی
۱- انرژی فقط به خصوصیات ماده یا جریان وابسته است و به خصوصیات محیط وابسته نیست اما اکسرژی هم به خصوصیات ماده و انرژی و هم به محیط اطراف وابسته است.
۲- وقتی سیستم در تعادل با محیط است، انرژی می ­تواند مقادیر مختلفی داشته باشد اما اکسرژی در حالت ساکن یا وقتی که سیستم در حالت تعادل کامل با محیط است، برابر صفر می­باشد.
۳- انرژی در همه فرآیندها طبق قانون اول ترمودینامیک، حفاظت شده و باقی می­ماند اما اکسرژی در فرآیندهای برگشت­پذیر حفظ شده ولی برای فرآیندهای واقعی حفاظت شده نیست و طبق قانون دوم ترمودینامیک به علت برگشت ناپذیری˓ کاملاٌ و یا تا حدی تخریب می شود .
۴- انرژی در اشکال مختلف مثل انرژی جنبشی، پتانسیل، درونی ظاهر می­ شود و در این اشکال قابل اندازه ­گیری است و اکسرژی در اشکال مختلف مثل اکسرژی جنبشی، اکسرژی پتانسیل، اکسرژی حرارتی و… ظاهر می­ شود و در این اشکال براساس کار یا توانایی تولید کار اندازه ­گیری می­ شود.
۵- انرژی تنها کمیت را اندازه می­گیرد اما اکسرژی هم کمیت و هم کیفیت ماده و انرژی را اندازه می­گیرد ]۱۴[.
مزایای آنالیز اکسرژی خصوصا در مقایسه با آنالیز انرژی، متعدد هستند. در زیر به برخی از موارد که بیشتر قابل توجه است، اشاره می­ شود.
۱- بازده براساس اکسرژی، اطلاعات معنی­دار بیشتری در زمان عملکرد سیستم فراهم می­ کند.
۲- در سیستم­های پیچیده (کمپلکس) با محصولات متعدد، روش­های اکسرژی می ­تواند به ارزیابی ارزش ترمودینامیکی اشکال انرژی محصول کمک کنند.
۳- اکسرژی مبتنی بر روش­های تکامل یافته است که می ­تواند در فعالیتهای مربوط به طراحی کمک کند. به عنوان مثالاکسرژی - اقتصادی و ترمو- اقتصادی را می­توان برای بهبود ارزیابی اقتصادی استفاده کرد.
۴- آنالیز اکسرژی باعث کاهش برگشت ناپذیری در یک سیستم و در نتیجه افزایش راندمان اکسرژی می‌شود.]۱۴[.
۳-۴- شبیه سازی و آنالیز اکسرژی برج تقطیر
پالایش گاز فرآیندی است که جهت جداسازی اجزاء زیاد حاضر در گاز استخراجی از چاه های گاز انجام می گیرد. هرچه زنجیره کربن بزرگ تر باشد ، در دمای بالاتری به جوش می آید . از این اصل در پالایشگاه ها جهت جداسازی و تثبیت استفاده می شود. در این قبیل واحدها ، به جریان جرمی درون برج حرارت می دهد تا اجزاء موجود در آن بخار شود . بخار درون برج به سمت بالا حرکت می کند و با افزایش ارتفاع برج ، خنک تر می شود. زمانی که اجزاء گازی تا زیر نقطه جوش خود خنک می شود ، تبدیل به مایع می گردد و مجدداً به سمت پایین برج حرکت می کند.
دلایل متعددی از جمله محدودیت منابع انرژی دردسترس، سختگیرانه تر شدن سیاست­های محیط زیستی ، به کارگیری آنالیزهای ترمودینامیکی جهت بهبود راندمان در صنایع مختلف سراسر دنیا رو به افزایش گذاشت. به طور مرسوم از آنالیز انرژی جهت بهینه کردن بازده تولید محصول مطلوب استفاده می شود . از دیدگاه دیگر، با توجه به دلایل اقتصادی ، محیط زیستی و محدودیت منابع انرژی ، هدف بهینه کردن استفاده از منابع انرژی است و در این راستا، آنالیز اکسژری روشی رایج محسوب می شود . با این حال، توجه ویژه ای به استفاده از آنالیز انرژی معطوف است و در اکثر مطالعات، آنالیز انرژی برای سیستم های مختلف ترمودینامیکی و صنایع شیمیایی و پتروشیمیایی انجام گرفته است و نسبتاً کارهای محدودی برای آنالیز اکسژری واحدها و فرآیندهای تقطیر گزارش شده است.
۳-۵- بهینه سازی
در ارائه یک مدل ریاضی مناسب باید به این نکته توجه داشت که دقت جواب بستگی به دقت حل مسئله و صحت جواب بستگی به میزان صحت بیان مدل ریاضی از شبیه سازی، خواهد داشت. به بیان دیگر هر چه مدل ریاضی شبیه سازی شده طبیعت و فیزیک مسئله را خوب بیان کند، مدل بهتر بوده و در نتیجه جواب بدست آمده به حقیقت نزدیک­تر خواهد بود]۳۳[.
بهینه سازی عملی برای بدست آوردن بهترین نتیجه تحت شرایط موجود مسئله می باشد مهندس­ها مجبورند که بسیاری از تصمیمات صنعتی و مدیریتی را به نحو احسن به انجام رسانند. هدف نهایی هر تصمیمی مینیمم کردن کار و کوشش لازم یا ماکزیمم کردن سود مطلوب می باشد . بدین ترتیب کار لازم یا سود مطلوب در هر موقعیت اختصاصی را می توان بصورت تابعی از متغیرهای تصمیم بیان نمود و بهینه سازی را می توان فرایند پیدا کردن شرایطی که در آنماکزیمم یا مینمم مقدار تابع مد نظر است، تعریف کرد]۳۳[.
۱- مینیمم کردن : به حداقل رساندن تعداد یا مقدار داده هایی که باید برای ایجاد خروجی های معین به مصرف برسند.
۲- ماکزیمم کردن
الف) به حداکثر رساندن تعداد یا مقدار داده های خروجی که از مصرف ورودی های معین بدست می یابند.
ب) به حداکثر رساندن مقدار تابعی که از رابطه بین داده های ورودی و خروجی بدست می یاید.
این گونه مسائل که عموما به عنوان مسائل کمینه سازی^[۶] یا بیشینه سازی^[۷] مطرح می شوند بطور عام به مسائل بهینه سازی^[۸] معروفند.
روش قابل دسترس واحدی برای حل تمام مسائل بهینه سازی وجود ندارد با اینحال تعدادی از روش های بهینه سازی برای حل انواع مختلف مسائل بهینه سازی توسعه یافته اند]۳۳[ .
۳-۶- بهینه سازی برج تقطیر با بهره گرفتن از آنالیز اکسرژی
در یک بهینه سازی ترمودینامیکی قابل اطمینان، می بایست میزان نرخ تولید انتروپی را کاهش و به حداقل رساند و یا با هزینه اکسرژی معادل سازی کرد. جهت دستیابی به این هدف روش های متعددی قابل بکارگیری است.
به طور کلی، این روش‌ها را می‌توان به سه دسته عمده زیر تقسیم‌بندی کرد]۳۵[:
۱- روش‌هایی که سرمایه موردنیاز آنها کم است: مثل جریان برگشتی به برج، محل ورودی خوراک، بهبود در تعمیرات و روش های تعمیراتی، فشار داخل برج (فشار عامل مهمی است که با توجه به دمای آب خنک کننده در دسترس جهت میعان بخارات بالاسری انتخاب می‌گردد. عملیات تقطیر در فشارهای پایین مطلوب­تر است. پس در فصل زمستان و فصل بارانی به علت کاهش دمای محیط و افت دمای برج آب خنک کننده می‌توان فشار برج را کاهش داد).
۲- روش‌هایی که سرمایه موردنیاز آنها متوسط است: مثل استفاده از روش های بازیافت اتلاف حرارتی، عایق کاری، جابجایی سینی‌ها با تجهیزات موثر مشابه ( آکنده های^[۹] با کارایی بیشتر، با ارتفاع معادل کمتر و افت فشار کمتر).
۳- روش‌هایی که نیازمند سرمایه‌گذاری کلان هستند: این روشها منجر به بازیافت انرژی زیادتری نسبت به دو مرحله قبل می‌شوند که از آن جمله می‌توان به موارد زیر اشاره کرد. بهینه‌سازی یا تعویض سیستم کنترل و ابزار دقیق، میعان دو مرحله‌ای در بخش بالا سری ( در این روش مرحله اول جهت حصول به میعان کافی برای جریان برگردان انجام می‌گیرد و مرحله دوم جهت خنک کردن و استحصال محصول کافی مورد استفاده واقع می‌شود)، انتگراسیون حرارتی و همین‌طور افزودن تجهیزات (اضافه کردن مبدل های حرارتی بر روی هر سینی جهت رسیدن به ستون تقطیر دیاباتیک ایده آل)
روش‌های با سرمایه‌گذاری کم، در واحدهای عملیاتی در حال کار، کاربرد دارند و روش‌های با سرمایه‌گذاری متوسط تا زیاد اغلب در واحدهای جدید پس از بررسی های فنی- اقتصادی و برآورد مدت زمان برگشت سرمایه قابل انجام است]۳۵[.
در یک واحد عملیاتی تقطیر، بازیافت انرژی از طریق بهینه‌سازی پارامترهای عملیاتی و اجرای برنامه‌های تعمیراتی پیشرفته، با صرف اندک سرمایه‌گذاری قابل حصول است. این روند با مینیمم کردن کیفیت گرمای ورودی به برج و همزمان ماکزیمم کردن کیفیت گرمای خروجی از برج انجام پذیر است.
در فرایندهای شیمیایی محصولات و نیروهای محرکه به خوبی تعریف شده اند، بنابراین با به کارگیری کمیت­های اولیه ترمودینامیکی بازده های مختلف قابل محاسبه هستند که مستقیماً به عنوان تابع هدف جهت بهینه سازی استفاده می شوند.
۳-۷- اثر انتگراسیون حرارتی داخلی بر روی کیفیت مصرف انرژی
اثر انتگراسیون حرارتی داخلی را بر روی کیفیت مصرف انرژی براساس مفهوم “اکسرژی” به عنوان شاخص کیفیت انرژی، بررسی می‌شود. تعریف اکسرژی عبارت است از “حداکثر کار مفید قابل استحصال از یک سیستم، زمانی که سیستم از حالت اولیه خود به حالت تعادل با محیط آورده شود]۲[.
حداکثر کار مفید زمانی به دست می‌آید که فرایندی که سیستم، تحت‌تأثیر آن قرار می‌گیرد، برگشت‌پذیر باشد.
با تلفیق قوانین اول و دوم ترمودینامیک برای یک سیستم باز و با صرف‌نظر کردن از ترم‌های انرژی پتانسیل و جنبشی، حداکثر کار مفید قابل استحصال از سیستم باز در یک فرایند برگشت‌‍پذیر یا همان اکسرژی از رابطه زیر به دست می‌آید