Phân tích quá trình công nghệ với tư cách là đối tượng của quá trình điều chỉnh tự động (tháp hấp thụ

Hàm lợng hơi nớc trong khí đồng hành và khí thiên nhiên cần phải biết vì hơi nớc có thể bị ngng tụ trong các hệ thống công nghệ xử lí khí sau này, kết quả sẽ tạo các điều kiện hình thành

mục lục

Lời mở đầu 3

I Quá trình công nghệ sấy khô khí 4

I.1 Mục đích của việc sấy khô khí 4

I.2 Phơng pháp sấy khô khí 4

I.2.1 Sơ đồ nguyên lí sấy khô khí bằng phơng pháp hấp thụ 5

I.2.2 Các yếu tố ảnh hởng đến mức độ hấp thụ hơi nớc 5

I.2.3 Các thông số của quá trình 6

II Phân tích quá trình công nghệ với t cách là đối tợng của quá trình điều chỉnh tự động 7

II.1 Sơ đồ thông số của quá trình công nghệ 7

II.2 Mô hình toán học của sự điều chỉnh hàm ẩm của khí khô 8

II.3 Mô hình toán học của sự điều chỉnh mức chất lỏng trong tháp hấp thụ 11

III Đo và điều chỉnh tự động qúa trình công nghệ sấy khô khí 14

III.1 Điều chỉnh hàm ẩm của khí khô 15

III.2 Điều chỉnh mức chất lỏng trong tháp hấp thụ 15

III.3 Điều chỉnh nhiệt độ làm việc của tháp hấp thụ 16

III.4 Điều chỉnh áp suất làm việc của tháp hấp thụ 16

III.5 Điều chỉnh nhiệt độ nạp liệu 16

III.6 Điều chỉnh bằng máy tính 17

IV Thiết lập hệ tự động điều chỉnh quá trình công nghệ 18

V Các thiết bị đo lờng 20

V.1 Dụng cụ đo nhiệt độ 20

V.2 Dụng cụ đo mức 20

V.3 Dụng cụ đo lu lợng 21

V.4 Dụng cụ đo hàm ẩm 21

V.5 Dụng cụ đo áp suất 21

Kết luận 23

Tài liệu tham khảo 24

Lời mở đầu

Đất nớc ta đang trên con đờng con đờng công nghiệp hóa, hiện đại hóa Ngày nay, tất cả các nhà máy và xí nghiệp thuộc các nghành kinh tế quốc dân, trong đó có nghành dầu khí, đều đã và đang đợc trang bị các hệ thống tự động ở mức cao Những hiệu quả mà tự động hóa mang lại cho sự phát triển của kinh tế đất nớc là không thể phủ nhận Đó là: nâng cao chất lợng sản phẩm, nâng cao năng suất lao

động, giảm chi phí sản xuất, cải thiện điều kiện làm việc cho công nhân viên nhất là ở những công đoạn có tính độc hại cao

Các hệ thống tự động hoá giúp chúng ta theo dõi, giám sát các qui trình công nghệ thông qua các chỉ số của hệ thống đo lờng kiểm tra Các hệ thống tự động hóa thực hiện chức năng điều chỉnh các thông

số công nghệ nói riêng và điều khiển toàn bộ qui trình công nghệ nói chung Hệ thống tự động hóa bảo đảm cho qui trình công nghệ xảy ra

trong điều kiện cần thiết và bảo đảm nhịp độ sản xuất mong muốn của từng công đoạn trong qui trình công nghệ Chất lợng của sản phẩm và năng suất lao động của các phân xởng, của từng nhà máy,

xí nghiệp phụ thuộc rất lớn vào chất lợng làm việc của các hệ thống

tự động hóa này

ở nớc ta, dầu khí đã đợc phát hiện từ những năm đầu thập kỉ 70 Tuy nhiên, phải đến năm 1986, tấn dầu đầu tiên mới đợc khai thác tại

mỏ dầu Bạch Hổ Kể từ đó đến nay, sản lợng dầu khí chúng ta khai thác đợc ngày một nhiều thêm Riêng năm 1997, chúng ta đã khai thác đợc 10,1 triệu tấn dầu Sự đóng góp của nghành dầu khí đối với

sự phát triển kinh tế đất nớc trong thời gian vừa qua là rất có ý nghĩa, nhng điều này sẽ trở lên kém hiệu quả nếu thiếu đi các hệ thống tự

động hóa Vai trò của các hệ thống tự động hóa là đặc biệt quan trọng trong lĩnh vực chế biến dầu khí

Tiểu luận này thực hiện việc tự động hóa quá trình sấy khô khí

Đây là một công đoạn đầu tiên, không thể thiếu trong việc chế biến khí thiên nhiên và khí dầu mỏ

Em xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Minh Hệ, ngời thầy đã tận tình truyền đạt cho chúng em những kiến thức cơ sở cần thiết của môn học tự động hóa các quá trình công nghệ hóa học-thực phẩm

I Quá trình công nghệ sấy khô khí:

I.1 Mục đích của sấy khô khí:

Khí đồng hành và khí thiên nhiên khai thác từ lòng đất thờng bão hoà hơi nớc và hàm lợng hơi nớc phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ và thành phần hoá học của khí Mỗi một giá trị nhiệt độ, áp suất sẽ tơng ứng với một hàm lợng hơi nớc cực đại có thể có nhất định Hàm lợng

ẩm tơng ứng với hơi nớc bão hoà tối đa đợc gọi là hàm lợng ẩm cân bằng

Hàm lợng hơi nớc trong khí đồng hành và khí thiên nhiên cần phải biết vì hơi nớc có thể bị ngng tụ trong các hệ thống công nghệ xử lí khí sau này, kết quả sẽ tạo các điều kiện hình thành các hiđrat (các tinh thể rắn) dễ đóng cục chiếm các khoảng không trong các ống dẫn hay các thiết bị, phá vỡ điều kiện làm việc bình thờng đối với các dây chuyền khai thác, vận chuyển và chế biến khí Ngoài ra, sự có mặt của hơi nớc và các hợp chất chứa lu huỳnh (H2S và các chất khác) sẽ

là tiền đề thúc đẩy sự ăn mòn kim loại, làm giảm tuổi thọ và thời gian

sử dụng của các thiết bị, công trình

I.2 Phơng pháp sấy khô khí:

Khí đợc sấy khô với mục đích tách hơi nớc và tạo ra cho khí có nhiệt độ điểm sơng theo nớc thấp hơn so với nhiệt độ cực tiểu mà tại

đó khí đợc vận chuyển hay chế biến Trong công nghiệp, một trong những phơng pháp sấy khô khí hay đợc dùng là hấp thụ bằng các chất lỏng hút ẩm Phơng pháp này đợc sử dụng rộng rãi để sấy khô khí tại các công trình ống dẫn khí cũng nh tại trong các nhà máy chế biến khí Chất hấp thụ-sấy khô là những dung dịch nớc đậm đặc của mono-, di- và trietylglycol

Sự sấy khô khí bằng các chất hấp thụ này dựa trên sự khác biệt về

áp suất riêng phần của hơi nớc trong khí và trong chất hấp thụ Giá trị

điểm sơng của khí, về nguyên tắc đợc đảm bảo bằng dung dịch của các glycol

Lợng ẩm có thể đợc tách ra từ khí bằng các chất hấp thụ-sấy khô

đợc xác định bằng khả năng hút ẩm của các chất hấp thụ, nhiệt độ và

áp suất, sự tiếp xúc giữa khí với chất hấp thụ, khối lợng chất hấp thụ tuần hoàn trong hệ và độ nhớt của nó

I.2.1 Sơ đồ nguyên lí công nghệ sấy khô khí bằng phơng pháp hấp thụ:

II III IV

VI 3

5

1 2

I 7

V 4

6

8

Hình 1: Sơ đồ nguyên lí công nghệ sấy khô khí bằng hấp thụ

1- Thiết bị hấp thụ; 2,4- Thiết bị trao đổi nhiệt; 3- Thiết bị thổi khí; 5-Thiết bị giải hấp thụ; 6- 5-Thiết bị tái sinh hơi; 8- Bồn chứa DEG; I- Khí ẩm; II- Khí đã sấy khô; III- Khí thổi ra; I Hơi nớc đi vào khí quyển; V-DEG bổ sung; VI- V-DEG tái sinh

Trong sơ đồ trên, khí ẩm (I) đợc đa vào phần dới của thiết bị hấp thụ 1, còn glycol đậm đặc thì đợc đa vào đĩa trên cùng của thiết bị này Khí sấy khô (II) sẽ đi ra từ phía trên của thiết bị, còn glycol đã hấp thụ nớc thì đi ra ở phía dới Khí đã sấy khô, sau đó, đợc đa đi sử dụng, còn glycol tiếp tục đợc đun nóng trong thiết bị trao đổi nhiệt 2

và đi vào hệ thống thổi khí 3, tại đây sẽ tách phần hyđrocacbon đã bị hấp thụ Tiếp theo glycol đợc đun nóng trong thiết bị trao đổi nhiệt 4

và thiết bị giải hấp 5 Từ phía trên của thiết bị 5, sẽ lấy ra hơi n ớc (IV), phần còn lại ở phía dới chính là glycol tái sinh đợc làm nguội trong thiết bị trao đổi nhiệt 4, 2 và sinh hàn 7, đi vào bồn chứa 8, từ đây sẽ

đi vào thiết bị hấp thụ 1 (bồn chứa 8 sẽ đợc bổ sung một lợng glycol mới khi cần thiết)

I.2.2 Các yếu tố ảnh hởng đến mức độ hấp thụ hơi nớc:

Để đặc trng cho lợng hơi nớc đợc hấp thụ trên lợng hơi nớc có trong khí ẩm, ngời ta đa ra đại lợng hệ số tách hay còn gọi là hiệu quả hấp thụ Ngời ta nhận thấy rằng khi tăng nhiệt độ và giảm áp suất của quá trình hấp thụ sẽ làm giảm hiệu quả hấp thụ Còn khi tăng lu lợng riêng của dung môi sẽ làm tăng hiệu quả hấp thụ

ảnh hởng lớn nhất đến hiệu quả hấp thụ là số đĩa lí thuyết của tháp hấp thụ: Khi tăng số đĩa lí thuyết lên 6-8 đĩa (tơng ứng với khoảng 30

đĩa thực) thì lu lợng riêng của dung môi sẽ giảm khi các điều kiện khác không đổi, điều này dẫn đến việc giảm chi phí vận hành Nhng nếu số đĩa lí thuyết tăng lên nữa thì ảnh hởng của nó đến hiệu quả quá trình là không rõ rệt

Hiệu quả hấp thụ còn phụ thuộc vào tỉ trọng và khối lợng phân tử của dung môi; nếu tỉ trọng và khối lợng riêng của dung môi thay đổi, nhng tỉ số giữa chúng là không đổi thì hệ số hấp thụ cũng không đổi

Sử dụng dung môi có khối lợng phân tử nhỏ sẽ làm tăng khả năng hấp thụ hơi nớc, đồng thời làm tăng hiệu quả của quá trình

I.2.3 Các thông số của quá trình:

ở các thiết bị công nghiệp, sự sấy khô khí đến điểm sơng cân bằng

là không thực hiện đợc vì khí chỉ tiếp xúc với chất hấp thụ (glycol) có nồng độ đã tính toán tại đĩa trên cùng, còn ở các mâm dới nồng độ các glycol sẽ giảm đi do sự hấp thụ nớc Do đó, trong các thiết bị công nghiệp, điểm sơng thực tế của khí sấy sẽ cao hơn từ 5 đến 110C

so với điểm sơng cân bằng Thông thờng sự sấy khí bằng các glycol

đợc thực hiện đến điểm sơng không thấp hơn –250C đến –300C Muốn sấy triệt để hơn thì cần phải dùng dung dịch glycol có nồng độ

đậm đặc hơn Khi đó, sẽ phát sinh thêm khó khăn do có sự gia tăng

sự tiêu hao glycol cùng với khí khô

Nhiệt độ giới hạn trên của quá trình sấy hấp thụ đợc xác định bằng

sự tiêu hao cho phép do bay hơi và trong thực tế, nhiệt độ này vào khoảng 380C Còn nhiệt độ giới hạn dới phụ thuộc vào sự giảm khả năng hút ẩm của chất hấp thụ gây ra bởi sự tăng độ nhớt của glycol Nhiệt độ cực tiểu tiếp xúc với glycol vào khoảng 100C

Khi hàm lợng nớc trong chất hấp thụ tăng thì ảnh hởng của sự tiêu hao chất hấp thụ đến độ hạ điểm sơng sẽ giảm ảnh hởng của sự tiêu hao chất hấp thụ đến mức độ sấy khí giảm khi đạt đến giá trị nhất

định nào đó Nồng độ glycol là yếu tố ảnh hởng mạnh nhất đến điểm sơng của khí Khi tăng nồng độ của glycol thì độ hạ điểm sơng sẽ mạnh hơn so với tăng tiêu hao tác nhân sấy

Nồng độ glycol trong chất hấp thụ đợc xác định bằng nhiệt độ tái sinh nó ở nhiệt độ 164,40C, DEG bị phân huỷ một phần, còn ở 206,70C, TEG cũng sẽ phân huỷ Nếu tái sinh glycol ở áp suất khí quyển thì thực tế sẽ không thu đợc dung dịch có nồng độ lớn hơn 97-98% khối lợng, vì nhiệt độ ở phía dới thiết bị giải hấp lớn hơn các nhiệt

độ nêu trên nên chúng sẽ bị phân hủy Do vậy, glycol thờng đợc tái sinh trong chân không

* Tại tháp hấp thụ 1:

- Nhiệt độ tiến hành: 200C

- áp suất tiến hành: 2- 6 MPa.

- Lu lợng riêng chất hấp thụ: 30- 35 lít TEG/1 kg nớc

- Nồng độ chất hấp thụ tái sinh: 99,0-99,5% kl (TEG)

- Điểm sơng của khí: -180C đến -250C

* Tại tháp giải hấp 5:

- Nhiệt độ đáy tháp giải hấp: 190- 2040C

- áp suất tiến hành: 10- 13 kPa

II Phân tích quá trình công nghệ với t cách là đối t ợng của quá trình điều chỉnh tự động (tháp hấp thụ):

II.1 Sơ đồ thông số của của quá trình hấp thụ khí ẩm:

w1

V

w2

L

G H

W

Hình 2: Sơ đồ thông số của quá trình hấp thụ khí ẩm

ở sơ đồ trên:

- Các tác động điều chỉnh : V , L , W , G

- Các tác động nhiễu : w1.

- Các thông số đặc trng của quá trình: w2, H

Trong đó:

V : Thể tích khí ẩm đi vào tháp hấp thụ(m3/h)

L : Lu lợng chất hấp thụ (glycol) tái sinh (m3/h)

G : Thể tích khí khô đi ra ở đỉnh tháp hấp thụ (m3/h)

W : Dung dịch glycol đã bão hoà hơi nớc (m3/h)

w1 : Hàm ẩm của khí cần sấy khô (kg/m3)

w2 : Hàm ẩm của khí khô (kg/m3)

H : Mức chất lỏng trong tháp hấp thụ (m)

II.2 Mô hình toán học của quá trình điều chỉnh hàm ẩm của khí khô: Tháp hấp thụ đợc sử dụng để sấy khô khí là tháp đệm Nh chúng ta

đã biết, bản chất vật lí của quá trình hấp thụ là do sự hình thành cân

bằng pha giữa hai pha khí-lỏng do sự khuếch tán của các chất từ pha

nọ sang pha kia Động lực của quá trình khuếch tán là sự chênh lệch

áp suất riêng phần giữa các cấu tử trong pha lỏng và pha khí Nếu áp suất riêng phần của các cấu tử trong pha khí lớn hơn trong pha lỏng thì sẽ xảy ra quá trình hấp thụ (chất lỏng hấp thụ khí) Trong thực tế,

động lực quá trình khuếch tán trong tính toán đợc tính qua nồng độ các cấu tử (vì áp suất riêng phần tỉ lệ thuận với nồng độ)

Trong khi đó, năng suất làm việc của tháp đệm đợc xác định bằng tốc độ khí đi qua tiết diện tự do của tháp; tốc độ khí phụ thuộc vào khả năng cho phép lớn nhất của khí qua tháp Năng suất sẽ lớn nhất khi lợng khí cho phép đi qua tháp lớn nhất hay đạt trị số tới hạn

Trong tháp đệm, chất lỏng hấp thụ đi vào tháp ở phía trên, còn khí

ẩm men theo bề mặt của đệm đi lên Trạng thái này xảy ra khi vận tốc khí rất bé Với sự tăng vận tốc khí, do lực ma sát phần của phim giữa hai pha bị giảm đi và một lớp bọt xuất hiện Nếu tăng vận tốc tiếp, chất lỏng sẽ bị kéo lên Trạng thái này đợc gọi là điểm sặc và nó biểu diễn giới hạn phụ tải trên Tuỳ thuộc vào tỷ số của vận tốc pha khí (v ) với vận tốc điểm sặc (v s) , có thể chia ra các phạm vi sau:

- v/ v s<0,45 : phạm vi màng Bề mặt tiếp xúc pha trong phạm vi

này có thể coi bằng bề mặt của đệm đem dùng

- v/ v s=0,45 : điểm phanh ở trên bề mặt phim, có xoáy tạo thành

do ma sát và đó là nguyên nhân dẫn tới kéo một phần chất lỏng

- v/ v s=0,45ữ0,5: pham vi quá độ

- v/ v s=0,85: điểm tan Chất lỏng tạo thành một lớp bọt xốp Bề

mặt tiếp xúc pha không phụ thuộc vào bề mặt lớp đệm

- v/ v s=0,85ữ1: phạm vi nhũ tơng.

Các tháp đệm trong thực tế thờng làm việc ở miền nhũ tơng vì ở

đây diện tích tiếp xúc pha là lớn nhất và có lợi hơn cả về mặt năng suất Đây là chế độ thuỷ động tốt nhất

Việc xây dựng mô hình toán học của quá trình điều chỉnh tự động dựa trên cơ sở thừa nhận lớp đệm là một hệ đồng thể trong đó ngời ta quan sát một phân tố đủ lớn với sự không đồng nhất của lớp đệm, mặt khác phân tố nghiên cứu cũng đủ bé so với quy mô biến đổi nồng

độ và nhiệt độ

G , w2

L, α

V , w1

W , x W

Hình 3: Sơ đồ dòng ra và dòng vào tháp hấp thụ Các giả thiết:

- Quá trình xảy ra trong điều kiện đẳng nhiệt

- Thể tích của hơi nớc bị tách ra khỏi khí ẩm là không đáng kể

- Chất hấp thụ (glycol) chỉ hấp thụ hơi nớc

- Hệ số khuếch tán không thay đổi trong toàn bộ không gian tháp

- Vận tốc dòng không đổi đối với tất cả các tiết diện vuông góc với trục

Khi đó, áp dụng phơng trình bảo toàn vật chất cho đối tợng trong thời gian dττ , ta có:

∂C i

∂τ +v∗gradτC i=dτiv (v∗gradτC i) +F (C i) (1 )

Trong đó:

C i: Nồng độ của hơi nớc trong pha khí và pha lỏng.

F(τ) : Thành phần để ý đến vận tốc chuyển khối

v : Vận tốc của pha khí trong tháp đệm

Trong trờng hợp này, nếu chỉ chú ý đến khuếch tán dọc (theo chiều cao của tháp hấp thụ), phơng trình (1) sẽ có dạng:

∂C i

∂τ =D L

∂2C i

∂l2 −v

∂C i

∂l + F(C i) (2)

ở đây:

D L: Hệ số trộn dọc.

Viết phơng trình (2) cho cả chất khí và chất lỏng, ta có:

∂ τ = DG

∂2C1

∂ l2 − VG

∂ C1

∂ l +

F

Với:

h1: Chiều cao của một đơn vị chuyển khối đối với pha hơi.

h1 =h1(v s , μ x , ρ x , ψ ) (5)

h2: Chiều cao của một đơn vị chuyển khối đối với pha lỏng.

h2=h2(V , μ y , .) (6)

C1: Nồng độ hơi nớc trong pha hơi.

C2: Nồng độ hơi nớc trong pha lỏng.

l : Chiều cao của tháp hấp thụ.

D G , D F: Hệ số trộn dọc của pha hơi và pha lỏng.

V G: Thể tích khí trong một đơn vị thể tích đệm.

V G=V G(L, V , v s ) (7)

V F: Thể tích lỏng trong một đơn vị thể tích đệm.

V F=V F(L , V , v s , .) (8)

F : Diện tích tiếp xúc pha.

β GF , β FG: Hệ số cấp khối khí-lỏng và lỏng-khí.

β GF=β GF(v khi , ΔPP x) ( 9)

β FG=β FG(v khi , ΔPP x) (10)

Điều kiện biên của (*) là:

ở l=0 : v G(C1 −C10)=D G dτC 1

dτl ;

dτC 2

ở l=H t: v F(C2 −C20)=D F dτC 2

dτl ;

dτC 1

Bên cạnh đó, ta cũng có:

V +L=G+W (13)

L=(w1 −w2)∗V∗l rdτm (14)

ở đây:

l rdτm: lu lợng riêng chất hấp thụ (kg glycol/kg nớc).

Ta cũng có:

C1|l=0=

w2

C2|l=0= (1−α ) M0

(1−α ) M0+18 α (16 )

C1|l= H

t=w1

18 (17)

C2|l= H

t=x W (18) Trong đó:

M0: Khối lợng phân tử của chất hấp thụ (glicol).

α : Nồng độ của dung môi glicol trong dung dịch chất hấp thụ tái

sinh

H t : Chiều cao của tháp hấp thụ (m)

x W : Nồng độ của nớc trong dung dịch bão hoà đi ra ở đáy tháp.

Ta nhận thấy hệ phơng trình (*), và các phơng trình từ (5) đến (16)

ở trên là hệ phi tuyến Giải hệ phơng trình trên bằng các phơng pháp thông thờng là rất khó khăn, tốt hơn hết là giải gần đúng bằng máy tính số Kết quả là chúng ta sẽ thu đợc các hàm C1(l , τ ) và C2(l , τ )

Từ đó, chúng ta có thể xác định đợc sự biến thiên nồng độ của nớc trong pha khí và pha lỏng dọc theo chiều cao của tháp đệm Đồng thời, cũng nhờ vậy, chúng ta sẽ xác định gần đúng đợc hàm truyền của đối tợng cần điều chỉnh (ở đây, hàm truyền thờng có dạng rất phức tạp)

II.3 Mô hình toán học của sự điều chỉnh mức chất lỏng trong tháp hấp thụ:

Gọi H là mức chất lỏng trong tháp (m)

S là diện tích thiết diện của tháp (m2)

Viết phơng trình vi phân dựa theo định luật bảo toàn năng lợng theo thời gian dt, ta có:

S∗dτH =[L+V(w1 −w2) −W]∗dτt ( 19 )

Trong đó, W là lợng dung môi bão hoà đi ra khỏi đáy tháp hấp thụ (m3/h)

Từ (19), ta có:

S∗ dτH dτt =L+V (w1 −w2)−W (20)

ở trạng thái cân bằng thì:

0=L0+V0(w10 −w20)−W0 (21)

Phơng trình (20) là phơng trình tuyến tính Từ phơng trình (14), ta suy ra:

V(w1−w2)= L

l rdτm (22)

Thế (22) vào (20), ta có:

S∗ dτH dτt =(1+ 1

l rdτm)L−W (23)

Phơng trình (23) là phơng trình tuyến tính Ta có:

S∗ dτΔPH dτt =(1+ 1

l rdτm)ΔPL− ΔPW (24)

Chia cả hai vế cho S*H0, ta có:

dτ[ΔPH H0 ]

dτt =

1

S∗H0∗(1+ 1

l rdτm)ΔPL− 1

S∗H0∗ΔPW (25)

Gọi là các độ mở van Ta có:

ΔPL=C1 ∗β (26)

ΔPW =C2 ∗θ (27)

C1, C2:const

θ, β