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

Hàm lượng hơi nước trong khí đồng hành và khí thiên nhiên cần phải biết vì hơi nước có thể bị ngưng tụ trong các hệ thống công nghệ xử lí khí saunày, kết quả sẽ tạo các điều kiện hình th

MỤC LỤC

Lời mở đầu 3 3

I Quá trình công nghệ sấy khô khí4 4

I.1 Mục đích của việc sấy khô khí4 4

I.2 Phương pháp sấy khô khí4 4

I.2.1 Sơ đồ nguyên lí sấy khô khí bằng phương pháp hấp thô5 5

I.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến mức độ hấp thụ hơi nước 5 5

I.2.3 Các thông số của quá trình6 6

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

II.1 Sơ đồ thông số của quá trình công nghệ7 7

II.2 Mô hình toán học của sự điều chỉnh hàm Èm của khí khô8 8

II.3 Mô hình toán học của sự điều chỉnh mức chất lỏng trong tháp hấp thô11 11

III Đo và điều chỉnh tự động qúa trình công nghệ sấy khô khí14 14

III.1 Điều chỉnh hàm Èm của khí khô15 15

III.2 Điều chỉnh mức chất lỏng trong tháp hấp thô15 15

III.3 Điều chỉnh nhiệt độ làm việc của tháp hấp thô16 16

III.4 Điều chỉnh áp suất làm việc của tháp hấp thô16 16

III.5 Điều chỉnh nhiệt độ nạp liệu16 16

III.6 Điều chỉnh bằng máy tính17 17

IV Thiết lập hệ tự động điều chỉnh quá trình công nghệ18 18

V Các thiết bị đo lường20 20

V.1 Dụng cụ đo nhiệt độ20 20

V.2 Dụng cụ đo mức20 20

V.3 Dụng cụ đo lưu lượng21 21

V.4 Dụng cụ đo hàm Èm21 21

V.5 Dụng cụ đo áp suất21 21

Kết luận23 23

Tài liệu tham khảo24 24

LỜI MỞ ĐẦU

Đất nước ta đang trên con đường con đường 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 được 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 nước là không thể phủ nhận Đó là: nâng cao chất

lượng sản phẩm, nâng cao năng suất lao động, giảm chi phí sản xuất, cảithiện điều kiện làm việc cho công nhân viên nhất là ở những công đoạn cótính độc hại cao

Các hệ thống tự động hoá giúp chúng ta theo dõi, giám sát các qui trìnhcông nghệ thông qua các chỉ số của hệ thống đo lường kiểm tra Các hệthống tự động hóa thực hiện chức năng điều chỉnh các thông số công nghệnói riêng và điều khiển toàn bộ qui trình công nghệ nói chung Hệ thống tựđộng 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 trìnhcông nghệ Chất lượng của sản phẩm và năng suất lao động của các phânxưởng, của từng nhà máy, xí nghiệp phụ thuộc rất lớn vào chất lượng làmviệc của các hệ thống tự động hóa này

Ở nước ta, dầu khí đã được phát hiện từ những năm đầu thập kỉ 70 Tuynhiên, phải đến năm 1986, tấn dầu đầu tiên mới được khai thác tại mỏ dầuBạch Hổ Kể từ đó đến nay, sản lượng dầu khí chúng ta khai thác được ngàymột nhiều thêm Riêng năm 1997, chóng ta đã khai thác được 10,1 triệu tấndầu Sự đóng góp của nghành dầu khí đối với sự phát triển kinh tế đất nướctrong thời gian vừa qua là rất có ý nghĩa, nhưng điều này sẽ trở lên kém hiệuquả nếu thiếu đi các hệ thống tự động hóa Vai trò của các hệ thống tự độnghóa 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 làmột công đoạn đầu tiên, không thể thiếu trong việc chế biến khí thiên nhiên

và khí dầu má

Em xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Minh Hệ, người thầy đã tận tìnhtruyền đạt cho chóng em những kiến thức cơ sở cần thiết của môn học tựđộng 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 thường bão hoàhơi nước và hàm lượng hơi nước phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ và thànhphần hoá học của khí Mỗi một giá trị nhiệt độ, áp suất sẽ tương ứng với mộthàm lượng hơi nước cực đại có thể có nhất định Hàm lượng Èm tương ứngvới hơi nước bão hoà tối đa được gọi là hàm lượng Èm cân bằng

Hàm lượng hơi nước trong khí đồng hành và khí thiên nhiên cần phải biết

vì hơi nước có thể bị ngưng tụ trong các hệ thống công nghệ xử lí khí saunày, kết quả sẽ tạo các điều kiện hình thành các hiđrat (các tinh thể rắn) dễđóng cục chiếm các khoảng không trong các ống dẫn hay các thiết bị, phá vỡđiều kiện làm việc bình thường đối với các dây chuyền khai thác, vậnchuyển và chế biến khí Ngoài ra, sự có mặt của hơi nước và các hợp chất

chứa lưu 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 Phương pháp sấy khô khí:

Khí được sấy khô với mục đích tách hơi nước và tạo ra cho khí có nhiệt

độ điểm sương theo nước thấp hơn so với nhiệt độ cực tiểu mà tại đó khí được vận chuyển hay chế biến Trong công nghiệp, một trong những phương pháp sấy khô khí hay được dùng là hấp thụ bằng các chất lỏng hót Èm Phương pháp này được sử dụng rộng rãi để sấy khô khí tại các công trình ống dẫn khí cũng như tại trong các nhà máy chế biến khí Chất hấp thụ-sấy khô là những dung dịch nước đậm đặc của mono-, di- và trietylglycol

Sự sấy khô khí bằng các chất hấp thụ này dùa trên sự khác biệt về áp suất riêng phần của hơi nước trong khí và trong chất hấp thụ Giá trị điểm sương của khí, về nguyên tắc được đảm bảo bằng dung dịch của các glycol

Lượng Èm có thể được tách ra từ khí bằng các chất hấp thụ-sấy khô được xác định bằng khả năng hót Èm của các chất hấp thụ, nhiệt độ và áp suất, sự tiếp xúc giữa khí với chất hấp thụ, khối lượng chất hấp thụ tuần hoàn trong

hệ và độ nhít của nó

I.2.1 Sơ đồ nguyên lí công nghệ sấy khô khí bằng phương 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 Èm;

II- Khí đã sấy khô; III- Khí thổi ra; IV- Hơi nước đi vào khí quyển; V- DEG

bổ sung; VI- DEG tái sinh

Trong sơ đồ trên, khí Èm (I) được đưa vào phần dưới của thiết bị hấp thụ

1, còn glycol đậm đặc thì được đưa vào đĩa trên cùng của thiết bị này Khísấy khô (II) sẽ đi ra từ phía trên của thiết bị, còn glycol đã hấp thụ nước thì

đi ra ở phía dưới Khí đã sấy khô, sau đó, được đưa đi sử dụng, còn glycoltiếp tục được đun nóng trong thiết bị trao đổi nhiệt 2 và đi vào hệ thống thổikhí 3, tại đây sẽ tách phần hyđrocacbon đã bị hấp thụ Tiếp theo glycol đượcđun nóng trong thiết bị trao đổi nhiệt 4 và thiết bị giải hấp 5 Từ phía trêncủa thiết bị 5, sẽ lấy ra hơi nước (IV), phần còn lại ở phía dưới chính làglycol tái sinh được 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 được bổsung một lượng glycol mới khi cần thiết)

I.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến mức độ hấp thụ hơi nước:

Để đặc trưng cho lượng hơi nước được hấp thụ trên lượng hơi nước cótrong khí Èm, người ta đưa ra đại lượng hệ số tách hay còn gọi là hiệu quảhấp thụ Người ta nhận thấy rằng khi tăng nhiệt độ và giảm áp suất của quátrình hấp thụ sẽ làm giảm hiệu quả hấp thụ Còn khi tăng lưu lượng riêngcủa dung môi sẽ làm tăng hiệu quả hấp thụ

Ảnh hưởng lớn nhất đến hiệu quả hấp thụ là số đĩa lí thuyết của tháp hấpthụ: Khi tăng số đĩa lí thuyết lên 6-8 đĩa (tương ứng với khoảng 30 đĩa thực)thì lưu lượng riêng của dung môi sẽ giảm khi các điều kiện khác không đổi,điều này dẫn đến việc giảm chi phí vận hành Nhưng nếu số đĩa lí thuyếttăng lên nữa thì ảnh hưởng của nó đến hiệu quả quá trình là không rõ rệt Hiệu quả hấp thụ còn phụ thuộc vào tỉ trọng và khối lượng phân tử củadung môi; nếu tỉ trọng và khối lượng riêng của dung môi thay đổi, nhưng tỉ

số giữa chúng là không đổi thì hệ số hấp thụ cũng không đổi Sử dụng dungmôi có khối lượng phân tử nhỏ sẽ làm tăng khả năng hấp thụ hơi nước, đồngthời 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 sương cân bằng làkhông thực hiện được vì khí chỉ tiếp xúc với chất hấp thụ (glycol) có nồng

độ đã tính toán tại đĩa trên cùng, còn ở các mâm dưới nồng độ các glycol sẽgiảm đi do sự hấp thụ nước Do đó, trong các thiết bị công nghiệp, điểmsương thực tế của khí sấy sẽ cao hơn từ 5 đến 110C so với điểm sương cânbằng Thông thường sự sấy khí bằng các glycol được thực hiện đến điểmsương 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 được 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 dưới phụ thuộc vào sự giảm khả năng hót Èm của chất hấp thụ gây ra bởi sự tăng độ nhít của glycol Nhiệt độ cực tiểu tiếp xúc với glycol vào khoảng 100C

Khi hàm lượng nước trong chất hấp thụ tăng thì ảnh hưởng của sự tiêu hao chất hấp thụ đến độ hạ điểm sương sẽ giảm Ảnh hưởng 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 hưởng mạnh nhất đến điểm sương của khí Khi tăng nồng độ của glycol thì độ hạ điểm sương sẽ mạnh hơn so với tăng tiêu hao tác nhân sấy

Nồng độ glycol trong chất hấp thụ được xác định bằng nhiệt độ tái sinh

nã 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 được dung dịch có nồng độ lớn hơn 97- 98% khối lượng, vì nhiệt

độ ở phía dưới thiết bị giải hấp lớn hơn các nhiệt độ nêu trên nên chúng sẽ bị

phân hủy Do vậy, glycol thường được tái sinh trong chân không

* Tại tháp hấp thụ 1: - Nhiệt độ tiến hành: 200C - Áp suất tiến hành: 2- 6 MPa - Lưu lượng riêng chất hấp thụ: 30- 35 lít TEG/1 kg nước - Nồng độ chất hấp thụ tái sinh: 99,0-99,5% kl (TEG) - Điểm sương 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 tư cách là đối tượng của quá trình điều chỉnh tự động (tháp hấp thụ): II.1 Sơ đồ thông số của của quá trình hấp thụ khí Èm:

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

Ở sơ đồ trên:

- Các tác động điều chỉnh :

- Các tác động nhiễu :

- Các thông số đặc trưng của quá trình:

Trong đó:

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

: Lưu lượng chất hấp thụ (glycol) tái sinh (m3/h)

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

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

: Hàm Èm của khí cần sấy khô (kg/m3)

: Hàm Èm của khí khô (kg/m3)

: Mức chất láng trong tháp hấp thụ (m)

II.2 Mô hình toán học của quá trình điều chỉnh hàm Èm của khí khô: Tháp hấp thụ được sử dụng để sấy khô khí là tháp đệm Nh chóng 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 được 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 được 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 lượng 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 Èm 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 líp bọt xuất hiện Nếu tăng vận tốc tiếp, chất lỏng sẽ bị kéo lên Trạng thái này được gọi là điểm sặc và nó biểu diễn giới hạn phụ tải trên

Tuỳ thuộc vào tỷ số của vận tốc pha khí với vận tốc điểm sặc , có thể chia ra các phạm vi sau:

- : phạm vi màng Bề mặt tiếp xúc pha trong phạm vi này có thể coi bằng bề mặt của đệm đem dùng

- : 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

- pham vi quá độ

- điểm tan Chất lỏng tạo thành một líp bọt xốp Bề mặt tiếp xúc pha không phụ thuộc vào bề mặt líp đệm

- phạm vi nhò tương

Các tháp đệm trong thực tế thường làm việc ở miền nhò tương 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 dùa trên

cơ sở thừa nhận líp đệm là một hệ đồng thể trong đó người ta quan sát một phân tố đủ lớn với sự không đồng nhất của líp đệm, mặt khác phân tố nghiên cứu cũng đủ bé so với quy mô biến đổi nồng độ và nhiệt độ

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 nước bị tách ra khỏi khí Èm là không đáng kể

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

- 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 phương trình bảo toàn vật chất cho đối tượng trong thờigian , ta có:

Trong đó:

Nồng độ của hơi nước trong pha khí và pha láng

: Thành phần để ý đến vận tốc chuyển khối

Vận tốc của pha khí trong tháp đệm

Trong trường hợp này, nếu chỉ chú ý đến khuếch tán dọc (theo chiều caocủa tháp hấp thụ), phương trình (1) sẽ có dạng:

Nồng độ hơi nước trong pha hơi

Nồng độ hơi nước trong pha láng

: Chiều cao của tháp hấp thụ : ChiÒu cao cña th¸p hÊp thô

Hệ số trộn dọc của pha hơi và pha láng

Điều kiện biên của (*) là:

ở :

ở

Bên cạnh đó, ta cũng có: Ở đây: lưu lượng riêng chất hấp thụ (kg glycol/kg nước) Ta cũng có:

Trong đó:

Khối lượng phân tử của chất hấp thụ (glicol)

Nồng độ của dung môi glicol trong dung dịch chất hấp thụ tái sinh : Chiều cao của tháp hấp thụ (m)

: Nồng độ của nước trong dung dịch bão hoà đi ra ở đáy tháp

Ta nhận thấy hệ phương trình (*), và các phương trình từ (5) đến (16) ở trên là hệ phi tuyến Giải hệ phương trình trên bằng các phương pháp thông thường là rất khó khăn, tốt hơn hết là giải gần đúng bằng máy tính số Kết quả là chúng ta sẽ thu được các hàm và Từ đó, chúng ta có thể xác định được sự biến thiên nồng độ của nước 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 được hàm truyền của đối tượng cần điều chỉnh (ở đây, hàm truyền thường 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 phương trình vi phân dùa theo định luật bảo toàn năng lượng theo thời gian dt, ta có:

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

Từ (19), ta có:

Ở trạng thái cân bằng thì:

Phương trình (20) là phương trình tuyến tính Từ phương trình (14), ta suy ra:

Thế (22) vào (20), ta có:

Phương trình (23) là phương trình tuyến tính Ta có:

Chia cả hai vế cho S*H0, ta có:

Gọi là các độ mở van Ta có:

Thế (26) và (27 vào (25), ta có: Đặt: