Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển tháp lọc dầu và hóc lỏng khí công nghiệp

LỜI CAM ĐOANTôi tên là Nguyễn Thị Thu Huyền, học viên lớp CHK13-TĐH; tôi xin cam đoan bản luận văn: “ Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển tháp lọc dầu và hóc lỏng khí công

LỜI CAM ĐOAN

Tôi tên là Nguyễn Thị Thu Huyền, học viên lớp CHK13-TĐH; tôi xin cam

đoan bản luận văn: “ Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển tháp lọc dầu và hóc lỏng khí công nghiệp” là do tôi tự tổng hợp, kết quả trong luận

văn là trung thực và chưa ai từng công bố Trong luận văn có sử dụng một sốnguồn tài liệu tham khảo rõ ràng như đã nêu trong phần tài liệu tham khảo

Thái Nguyên, Ngày tháng 12 năm 2012

LỜI CẢM ƠNTôi xin chân thành cảm ơn PSG TS VÕ QUANG LẠP đã tận tình hướng

dẫn tôi trong suốt quá trình hoàn thành nội dung luận văn này Tôi xin chân thànhcảm ơn Khoa Điện – trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã tạođiều kiện, giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu đề tài Cuối cùng tôixin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của Ban giám hiệu, Phòng quản lý đào tạo sauđại học - trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã cho phép và tạođiều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành bản luận văn này

Mục lục

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 2

Danh mục hình vẽ 6

MỞ ĐẦU 8

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LỌC DẦU VÀ HÓA LỎNG KHÍ CÔNG NGHIỆP 10

1.1 Giới thiệu chung về chế biến và sử dụng khí tự nhiên 10

1.1.1 Giới thiệu chung 10

1.1.2 Thành phần và các đặc tính cảu khí tự nhiên 12

1.1.3 Chế biến và sử dụng khí tự nhiên ở Việt Nam 12

1.1.4 Phương pháp chế biến khí tự nhiên 14

1.1.4.1 Hấp thụ 14

1.1.4.2 Phân đoạn khí bằng chưng cất 14

1.1.4.3 Chế biến khí bằng phương pháp chưng cất 14

1.2 Công nghệ xử lý khí các nhà máy 17

1.2.1 Giới thiệu chung 17

1.2.2 Chế độ vận hành cụm thiết bị hoàn toàn tối thiểu (AMF) 18

1.2.3 Chế độ vận hành cụm thiết bị tối thiểu (MF) 19

1.2.4 Chế độ vận hành hoàn chỉnh (GPP) 19

1.3 Tự động hoá các quá trình lọc hoá dầu và chế biến khí 20

1.3.1 Đặt vấn đề 20

1.3.2 Các hệ thống điều khiển ứng dụng trong công nghiệp hoá dầu và chế biến khí 21

1.3.2.1 Điều khiển phản hồi 21

1.3.2.2 Điều khiển bù nhiễu 23

1.4 Đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển tháp chưng cất của nhà máy chế biến khí 24

1.5 Kết luận 26

CHƯƠNG II: KHẢO SÁT ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THÁP CHƯNG CẤT LỌC DẦU VÀ HÓA LỎNG KHÍ 28

2.1 Đặt vấn đề 28

2.2 Giới thiệu tháp chưng cất 28

2.3 Cơ sở xây dựng mô hình tháp chưng cất và đặc tính 29

2.3.1 Các kiến thức cơ bản về chưng cất 29

2.3.1.1 Sơ đồ nguyên lý một tháp chưng cất tổng quát 29

2.3.1.2 Giá trị K 32

2.3.1.4 Hệ số bay hơi tương đối 34

2.3.1.5 Phương trình cân bằng dòng toàn phần 35

2.3.1.6 Xác định số đĩa lý thuyết 37

2.3.1.7 Cân bằng vật chất trong đĩa chưng cất 38

2.3.2Đặc tính tháp chưng cất 39

2.4 Mô hình toán học tháp chưng cất 40

2.5 Mô phỏng sơ đồ tháp chưng cất 50

2.5.1 Sơ đồ hệ thống tháp chưng cất 50

2.5.2 Thiết kế bộ điều khiển 51

2.5.3 Mô phỏng hệ thống tháp chưng cất khi chưa có khối tách kênh 52

CHUƠNG III: NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THÁP LỌC DẬU VÀ HÓA LỎNG KHÍ CÔNG NGHIỆP 55

3.1 Lý thuyết điều khiển phân ly 55

3.1.1 Tách kênh 55

3.2 Xét trường hợp đối tượng điều khiển có 2 đầu vào và 2 đầu ra 62

3.2.1 Thiết kế bộ tách kênh từ lý thuyết tách kênh tổng quát 62

3.2.2 Tương tác giữa các vòng điều khiển 65

3.2.3 Thiết kế bộ điều khiển tách kênh 66

3.2.4 Thiết kế bộ điều khiển tách kênh cho tháp chưng cất và hóa lỏng khí có hai đầu vào và hai đầu ra 71

3.2.5 Kết luận 74

3.3 Mô phỏng hệ thống điều khiển tháp lọc dầu và hóa lỏng khí công nghiệp 74

3.3.1 Tính thống số 74

3.3.1.1 Khối tách kênh 74

3.3.1.2 Bộ điều khiển 75

3.3.2 Mô phỏng hệ thống 77

3.4 So sánh và đánh giá hệ thống điều khiển tháp lọc dầu và hoá lỏng khi công nghiệp 80

CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 85

4.1 Kết luận 85

4.2.Kiến nghị 86

Tài liệu tham khảo 87

Danh mục hình vẽ

1.1 Sơ đồ tổng quát chế biến khí đồng hành 11

1.3 Sơ đồ CNT có hai đường đưa nguyên liệu vào tháp 16

1.6 Sơ đồ hệ thống điều khiển tháp chưng cất C-01 25

2.1 Sơ đồ tổng quát một tháp chưng cất 29

2.3 Sơ đồ tháp chưng cất với cấu hình điều khiển LV 31

2.5 Sơ đồ mô phỏng hệ thống tháp chưng cất 52

3.1 Sơ đồ tổng quát hệ có nhiều đầu vào và nhiều đầu ra 56

3.2 sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển tách kênh 57

3.3a Sơ đồ cấu trúc hệ 3*3 với bộ bù các tương tác bên trong 61

3.3b Sơ đồ cấu trúc hệ n*n với bộ bù các tương tác bên trong 62

3.5 Sơ đồ tổng quát hệ thống điều khiển tách kênh 66

3.8 Mô hình toán học của hai tín hiệu vào và ra 71

3.9 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển tháp chưng cất với hai

biến vào và hai biến ra

74

3.11 Sơ đồ mô phỏng 2 bộ điều khiển tách kênh 77

3.13 Sơ đồ tổng quát mô phỏng điều khiển tháp chưng cất 78

3.14 Nồng độ sản phẩm đỉnh tháp khi có bộ tách kênh 79

3.15 Nồng độ sản phẩm đáy tháp khi có bộ tách kênh 79

3.16 Sơ đồ tổng quát mô phỏng sự so sánh giữa hai phương pháp 80

MỞ ĐẦU

Công nghệ chế biến dầu phát triển mạnh là nhờ là các đặc tính quý riêng củanguyên liệu dầu mỏ thuận tiện cho quá trình tự động hoá dễ khống chế cấc điềukiện công nghiệp và công xuất chế biến lớn, sản phẩm thu được có chất lượngcao, ít tạp chất và dễ tinh chế, dễ tạo ra nhiều chủng loại sản phẩm đáp ứng mọinhu cầu của ngành kinh tế Quốc dân Việc nghiên cứu nắm vững quy trình côngnghệ nhà máy lọc dầu và các hệ thống điều khiển nhằm khai thác có hiệu quả.Hướng nghiên cứu ứng dụng lý thuyết điều khiển hiện đại đang góp phần rất lớntrong việc tự động hoá quá trình sản xuất, khai thác một cách triệt để và tối ưuhoá chất lượng sản phẩm, đảm bảo an toàn và hiệu quả trong công nghiệp khaithác và chế biến dầu khí Luận văn chú trọng phân tích đánh giá hệ điều khiển lọc

phẩm và khả năng ứng dụng các bộ phận điều khiển để nâng cao chất lượng cácđặc tính điều khiển

Vì vậy, việc nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển tháp lọc dầu

và hoá lỏng khí công nghiệp là cần thiết và cần được tập trung nghiên cứu

- Đề tài nhằm đánh giá chung về hệ thống điều khiển hiện tại của công nghiệpchế biến khí ở Việt Nam

- Xây dựng mô hình toán học cho các tháp lọc dầu và khảo sát đặc tính củacác tháp chưng cất và hoá lỏng khí

- Đề xuất các giải pháp nâng cao chất lượng hệ thống đều khiển tháp lọc dầu

và hoá lỏng khí

Nội dung luận văn gồm 4 chương

Chương I Tổng quan về công nghệ lọc dầu và hoá lỏng khí công nghiệp

1.1 Giới thiệu chung về chế biến và sử dụng khí tự nhiên

1.2 Công nghệ xử lý khí ở nhà máy

1.3 Tự động hoa quá trình lọc dầu và hoá lỏng khí

1.4 Đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển tháp chưng cất của nhà máy chếbiến khí

1.5 Kết luận

Chương II: Khảo sát đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển tháp chưng cất lọc dầu hoá khí

2.1 Đặt vấn đề

2.2 Giới thiệu tháp chưng cất

2.3 Cơ sở xây dựng mô hìh tháp chưng cất và đặc tính

2.4 Mô hình hoán học tháp chưng cất

2.5 Bài toán điều kiện tháp chưng cất, khảo sát và đánh giá hệ thống điềukhiển tháp lọc dầu và hoá lỏng khí công nghiệp

Chương III Nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển tháp lọc dầu và hoá lỏng khí công nghiệp

3.1 Lý thuyết điều khiển phân ly

3.2 Ứng dụng lý thuyết điều khiển phân ly dể tách kênh trong tháp chưngcất

3.3 Mô phỏng hệ thống điều khiển tháp lọc dầu và hoá lỏng khí côngnghiệp

3.4 So sánh và đánh giá hệ thống điều khiển tháp lọc dầu và hoá lỏng khicông nghiệp

3.5 Kết luận

Chương IV: Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LỌC DẦU VÀ HÓA LỎNG

KHÍ CÔNG NGHIỆP 1.1 Giới thiệu chung về chế biến và sử dụng khí tự nhiên

1.1.1 Giới thiệu chung

Trên thế giới ngành dầu khí đã phát triển từ lâu, rất nhiều nước hiện nay đã ápdụng các thành tựu công nghệ thông tin và các lý thuyết điều khiển hiện đại vàoviệc điều khiển các quá trình trong công nghiệp lọc dầu

Với tiềm năng về khí khá phong phú, nước ta có điều kiện phát triển côngnghiệp dầu khí trên toàn lãnh thổ Khai thác và sử dụng hợp lý nguồn tài nguyênthiên nhiên quý giá này, trong tương lai ngành công nghiệp dầu khí sẽ là mộtngành công nghiệp phát triển mạnh, đóng góp đáng kể vào sự phát triển của đấtnước Thực tế ở nước ta hiện nay ngành công nghiệp rất non trẻ, ngành côngnghiệp lọc dầu là ngành mới bắt đầu sản xuất thử ở Việt Nam, hầu hết các thiết bị

công nghệ nhà máy lọc dầu và các hệ thống điều khiển nhằm khai thác có hiệuquả và tìm cách tiếp cận thay thế dần các thiết bị điều khiển trong nước là mộtvấn đề cần được quan tâm.

Khái niệm về khí dầu mỏ được hiểu là tất cả các khí thu được từ quá trìnhkhai thác và chế biến dầu mỏ Đó là khí đồng hành thu được khi khai thác chếbiến sơ bộ dầu mỏ Khí thu được từ các nhà máy dầu là tất cả các phân đoạn khígồm chủ yếu các hydrocacbon bay ra từ thiết bị tách các hỗn hợp sản phẩm củacác quá trình chế biến hoá học dầu mỏ, và các phân đoạn, các bán sản phẩm dầu

mỏ Đó là crasking, khí reforming, khí hydrocracking, khí của quá trình cốc hoá,vv… Phân đoạn khí ra từ các tháp chưng cất dầu thô cũng là khí nhà máy dầu.Lọc dầu là quá trình chế biến để tách các hợp chất lỏng và khí có trong dầu mỏnhằm thu được các sản phẩm dầu khí có chất lượng cao Sản phẩm của các quátrình chế biến hoá học dầu mỏ, và các phân đoạn, các bán sản phẩm dầu mỏ làkhí hydrocracking, khí của quá trình cốc hoá, vv…

Tuy chứa nhiều chất nhưng nhờ nhiệt độ sôi của các chất hydrocacbon rấtkhác nhau nên để nâng cao hiệu quả và tính tiện dụng người ta thường chế biếnkhí dầu mỏ thành ba sản phẩm năng lượng chính xăng nhẹ, khí hoá lỏng (LPG)

và khí đốt Xăng nhẹ thu được từ khí đồng hành còn có tên là xăng tự nhiên hay

là xăng hoang hoặc condensat Hợp phần chính của xăng nhẹ là pentan và hexan.trong xăng nhẹ còn có C+

7 với hàm lượng bé hơn nhiều Khí hoá lỏng (LPG) cóthể là C3 lỏng, là C4 lỏng hay hỗ hợp Bupro của chúng Khí đốt chủ yếu là CH4,

C2H6 Các khí nặng hơn có ít trong khí đốt, nên khí đốt thực chất là khí gầy

Trong khí dầu mỏ thường có những có những trường hợp chất phi hydrocacbon

có hại: N2, khí trơ, CO2, H2S, H2O, CS2, có, RSH…, các chất rắn hoặc ở dạng nhưrắn, bụi vô cơ, ụi chất xúc tác, bụi đất đá, asphalten…, cho nên việc chế biến khídầu mỏ bao gồm việc loại bỏ những chất có hại và tách phân đoạn

Hình1.1 Sơ đồ tổng quát chế biến khí đồng hành

Trong sơ đồ này không có giai đoạn loại bụi, nghĩa là ta coi khí cần chế biến

đã được lọc bụi rồi Thiết bị (1) có thể là một bình tách đơn giản nhưng thường làmột hệ thống các thiết bị tách với khả năng tách không cao, còn phận đoạn nặng

ra khí (1) chủ yếu bao gồm từ condensat Thiết bị loại nước (2) chỉ cần trongtrường hợp nhiệt độ ở (3) thấp đến mức có thể tạo hydrat trên đường ống dẫn khí.Các thiết bị (4), (7) sẽ không cần thiết nếu khí nguyên liệu không chua Cũng cóthể loại khí axit trước khi tách phân đoạn, nghĩa là các thiết bị (4), (7) đặttrước(2), (6)

1.1.2 Thành phần và các đặc tính cảu khí tự nhiên

Những cấu tử cơ bản của khí tự nhiên và khí đồng hành là: metan, etan,propan,butan (normal và izo) Khí tự nhiên được khai thác từ các mỏ khí, còn khíđồng hành được khai thác từ các mỏ dầu đồng thời với quá trình khai thác dầu

mỏ Trong khí tự nhiên thành phần chủ yếu là metan (chiếm đến 98% theo thểtích) Các mỏ khí tự nhiên là các túi khí nằm sâu dưới lòng mặt đất

Người ta còn phân loại khí theo hàm hượng hydrocacbon tính từ propantrở lên Khí giàu propan, butan và hydrocacbon nặng (trên 150g/m3) được gọi là

khí béo (hoặc khí dầu) Từ khí này người ta chế được xăng khí, khí hoá lỏng(LPG) và các hydrocacbon cho công nghệ tổng hợp hữu cơ Còn khí chứa íthydrocacbon nặng (từ propan trở lên, dưới mức 50g/m3) gọi là khí khô (hoặc khígầy), được sử dụng nguyên liệu cho công nghệp và đời sống, làm nguyên liệucho công nghệ tổng hợp hữu cơ nguyên liễu sẵn cho sản xuất phân đạm, sản xuấtetylen, etanol…

1.1.3 Chế biến và sử dụng khí tự nhiên ở Việt Nam

Cho đến nay Việt Nam đang khai thác 6 mỏ dầu và 1 mỏ khí, hình thành 4cụm khai thác dầu khí quan trọng

Cụm mở thứ nhất nằm ở vùng đồng bằg Bắc Bộ, gồm nhiều mỏ khí nhỏ,trong đó có Tiền Hải –“C”

Cụm mở thứ 2 thuộc vùng biển Cửu Long, gồm 4 mỏ dầu; Bạch Hổ, Rồng,Rạng Đông, Ru Bi, là cụm quan trọng nhất hiện nay, cung cấp trên 96% sảnlượng dầu toàn quóc Hiện nay ở mỏ Bạch Hổ và mỏ Rồng đã có 21 giàn khoankhai thác lớn nhỏ đang hoạt động với hơn 100 giếng khoan khai thác và bơm ép.Khi đồng hành từ đó được thu gom và đưa vào bờ bằng đường ống dẫn dài110km

- Tháng 4 năm 1995 cung cấp 1 triệu m3 khí/ ngày cho nhà máy điện Bà Rịa

- Năm 1997 tăng lên 2 triệu, rồi 3 triệu m3 khí/ngày cung cấp cho nhà máyđiện Phú Mỹ 2.1 và Phú Mỹ 2.1 mở rộng

- Tháng 10 năm 1998 nhà máy xử lý khí Dinh Cố đạt mức thiết kế 4,2 triệu

m3 khí/ngày

- Tháng 12 năm 1998 nhà máy sản xuất khí hoá lỏng (LPG) Hiện nay mỗingày nhà máy Dinh Cố gom, nén, xử lý khí đạt mức 4.6÷triệu m3/ngày(khoảng 1,5 tỷ m3/năm) để sản xuất 800 tấn LPG, 350 tấn condensat Đồng thời

ở khu vực này cũng đã và đang nghiên cứu tăng công xuất chung của hệ thốnglên trên 2 tỷ m2/năm

- Đầu năm 2009 nhà máy lọc dầu Dung Quất lớn nhất nước ta đã được đưavào vận hành, tạo nên hệ thống công nghiệp chế biến và sản xuất dầu mỏ nhằmđáp ứng nhu cầu trong nước.

Cụm mở thứ 3 nằm ở vùng biển Nam Côn Sơn gồm mỏ dầu Đại Hùng đangkhai thác và các mỏ khí đã phát hiện ở khu vực xung quanh là Lan Tây, Lan Đỏ,Hải Thạch, Mộc Tinh và mỏ dầu khí Rồng Đôi Tây …

Cụm mở thứ 4 tại thầm lục đại Tâm Nam bao gồm mỏ Bunga Kekwa-CáiNước đang khai thác dầu, mỏ Bunga Orkid, Bunga Parkma, Bunga Raya tại khuvực thoả thuận thương mại Việt Nam – Malaysia sẽ là khu khai thác và cung cấpkhí lớn thứ 2 và sẽ là cơ sở đảm bảo sự phát triển khu công nghiệp dầu khí ở Cần

- Cần Thơ

Đặc điểm của khí tự nhiên và khí đồng hành ở Việt Nam chứa rất ít H2S(0,02g/m3) nên là loại khí sạch, rất thuận lợi cho chế biến, sử dụng an toàn toànvới thiết bị và không gây ô nhiễm môi trường

1.1.4 Phương pháp chế biến khí tự nhiên.

1.1.4.1 Hấp thụ

Người ta thường dùng phương pháp hấp thụ-khử hấp thụ để tách khí nặng

Nguyên lý cơ bản của quá trình là do lòng khí đi ngược lại với dòng dầu lỏng

có bản chất từ xăng cho đến gas oil ở 300-400C dưới áp suất đủ cao Các khí tanvào dầu, khí càng nặng tan càng nhiều, áp xuất càng cao, nhiệt độ càng thấp thìkhí tan càng nhiều Quá trình hấp thụ được thực hiện như sau: dòng dầu được nạpvào ở đỉnh tháp, khí nạp vào từ đáy tháp, Khí có tên là khí béo, dầu nạp vàothường được gọi là dầu nghèo (dầu sạch) Khí ra ở đỉnh tháp chứa các khí nhẹnhất có tên là khí gầy, còn dầu chảy ra ở đáy tháp Ngày nay công nghệ thu hồihydrocacbon nặng bằng phương pháp hấp thụ ít được dùng

1.1.4.2 Phân đoạn khí bằng chưng cất

Để thực hiện tách phân đoạn khí ta vẫn hỗn hợp khí lần lượt qua các bình tách

và các tháp chưng cất hoạt động ở áp suất và nhiệt độ thích hợp, tại mỗi thiết bị

đó ta thu được 2 phân đoạn: Phân đoạn nhẹ bay ra ở đỉnh tháp và phân đoạn nặngchảy ra ở đáy tháp Áp suất ở các thiết bị thường là cao, nhiệt độ thường thấp.Việc tách phân đoạn khí đốt phải được thực hiện ở nhiệt độ rất thấp hoặc rất caohoặc ở nhiệt độ khá thấp và áp xuất cao

1.1.4.3 Chế biến khí bằng phương pháp chưng cất.

Sơ đồ chưng cất nhiệt độ thấp (CNT) thực hiện quá trình tách cấu tử địnhtrước hiệu quả hơn sơ đồ hấp thụ nhiệt độ thấp (HNT) và thiết bị chế tạo cũngđơn giản hơn Khác nhau về mặt nguyên lý giữa các sơ đồ CNT và HNT là ở chỗnguyên liệu đi vào thiết bị sau khi làm lạnh (toàn bộ một phần dòng khí nguyênliệu) không có sự tách sơ bộ mà được đưa thẳng vào tháp chưng, tại đó xảy ra sựphân tách riêng biệt khí nguyên liệu thành khí khô (thoát ra từ đỉnh tháp) và phânđoạn các hydrocacbon nặng (lấy ra từ đáy tháp) Phụ thuộc vào sơ đồ nguyên lýcủa quá trình chưng cất được chia thành tháp chưng-Bay hơi và tháp ngưng thụ-bay hơi

Trên hình1.2 mô tả sơ đồ tháp chưng - bay hơi Tháp chưng - bay hơi làmviệc như tháp chưng liên tục, dòng khí nguyên liệu đã được làm lạnh sơ bộ tạithiết bị trao đổi nhiệt thu hồi nhờ dòng khí đã tách benzin được đưa vào phầngiữa của tháp Khí trên đỉnh tháp được làm lạnh bằng chu trình làm lạnh ngoài,hỗn hợp khí được ngưng tụ hồi lưu trở về đĩa trên cùng của tháp chưng, khí sảnphẩm đã tách benzin được dẫn theo đường II sau khi đã truyền lạnh cho khínguyên liệu tại thiết bị trao đổi nhiệt thu hồi

Hình 1.2 Sơ đồ tháp chưng-bay hơi.

1 Thiết bị trao đổi nhiệt;

2 Tháp chưng bay hơi;

Trên hình 1.6 là sơ đồ chưng cất có hai đường đường nguyên liệu vào tháp

Về mặt nhiệt động học sơ đồ này hợp lý hơn Theo tính toán sơ đồ này chophép tiết kiệm khoảng 10% năng lượng, quá trình thực hiện ở nhiệt độ cao hơn.Theo sơ đồ của nhà máy chế biến khí Belarut, dòng khí nguyên liệu chia làm haidòng: Một dòng không khí làm lạnh đưa vào phần giữa của tháp, còn dòng thứhai sau khi làm lạnh đưa vào phần trên của tháp (trong sơ đồ nhà máy dòng thứ

nhất là 60 %, dòng thứ hai là 40% của dòng tổng) Dòng thứ hai được làm lạnhtrong thiết bị trao đổi nhiệt (1) bởi dòng khí đi ra từ đỉnh tháp (5), sau đó đượctrộn với sản phẩm đỉnh tháp trong thiết bị bay hơi propan (2) đến nhiệt độ -260C,một phần bị ngưng tụ Hỗn hợp hai pha từ thiết bị bay hơi propan (2) được dẫnvào tháp tách (3), tại đây khí được tách khỏi condensate Khí sau khi truyền phầnlạnh trong thiết bị trao đổi nhiệt (1) được đưa đi sử dụng Phần lỏng qua bơm (4)

đi vào phần trên của tháp (5) Nhiệt độ của tháp tách (3) được duy trì ở - 270C.Sản phẩm đỉnh tháp chưng (5) được hỗn hợp với dòng khí nguyên liệu đã qualàm lạnh (1)

Hình 1.3 Sơ đồ CNT có hai đường đưa nguyên liệu vào tháp.

1 Thiết bị trao đổi nhiệt

2 Thiết bị bay hơi propan;

Nhiệt cung cấp cho đáy tháp (5 do dòng lỏng tuần hoàn qua thiết bị đunnóng (6) Nhiệt độ đáy tháp là 1000C Từ đáy tháp nhận được phân đoạn chứa cácHyđrocacbon nặng.

Ngoài ra còn có phương pháp chưng cất với tháp ngưng tụ- bay hơi vàphương pháp CNT có tuabin giãn nở khí để tách C≥3 Trong đó phương pháp cấtvới tháp ngưng tụ- bay hơi thì sản phẩm đỉnh tháp được trộn với dòng khí nguyênliệu, qua chu trình làm lạnh ngoài có nhiệt độ âm cần thiết, hỗn hợp đưa qua thiết

bị tách, phần khí sản phảm đưa ra theo đường VI, còn phần lỏng được đưa vàođĩa trên cùng của tháp ngưng thụ - bay hơi

Lượng Hydrocacbon nặng nhận được từ sơ đồ NNT, CNT có một đầu vào

ít hơn so với sơ đồ CNT có hai đầu vào Như vậy trong trường hợp yêu cầu nhậnsản phẩm là propan và các hydrocacbon nặng khi chế biến khí béo (hàm lượng

C≥3 cao hơn 400g/m3) thì sơ đồ chưng cất nhiệt độ thấp có hai đầu vào là thíchhợp hơn cả

1.2 Công nghệ xử lý khí các nhà máy

1.2.1 Giới thiệu chung

Để hiểu rõ công nghệ chế biến khí ta tìm hiểu công nghê xủ lý khí của nhàmáy Dinh Cố Nhà máy được thiết kế để xử lý một lượng lớn khoảng 1,5tỷ

m3/năm với thời gian hoạt động là 30 năm Công việc xây dựng và vận hành nhàmáy được chia theo từng giai đoạn:

Giai đoạn 1: Xây dựng và vận hành cụm thiết bị hoàn toàn tối thiếu AMF(Absolute Minimum Faccilities) sản phảm cung cấp là khí khô thương phẩm vàcondensate

Giai đoạn 2: Xây dựng và vận hành cụm thiết bị tối thiểu MF (MinimumFacilities), sản phẩm cung cấp chủ yếu là khí khô thương phẩm, condensate vàhỗn hợp khí hoá lỏng Bupro

Giai đoạn 3: Nhà máy đi vào vận hành hoàn chỉnh GPP (Gas ProcessingPlant), sản phẩm cung cấp là khí khô thương phẩm, condensate, Propan và Butan

Khí hoá lỏng do nhà máy cung cấp sẽ thay thế toàn bộ khí hoá lỏng nhậpkhẩu hiện nay đang sử dụng trong nước cho các loại lò nung Gas công nghiệp,bếp Gas dân dụng Khí khô thương phẩm là nhiên liệu cho các nhà máy điện thay

thế dầu DO nhập khẩu

1.2.2 Chế độ vận hành cụm thiết bị hoàn toàn tối thiểu (AMF)

Giai đoạn này chỉ có các thiết bị tối thiểu hoạt động với mục đích cung cấpkhí thương phẩm cho các hộ tiêu thụ và chủ thu hồi tối thiểu condensat Trongchế độ vận hành AMF sản phẩm lỏng chủ yếu là condensate ước tính340tấn/ngày ở áp suất 8 Bar, ở nhiệt độ 450C với lưu lượng khí 1,5.109/năm ở ápsuất P=109 Bar, ở nhiệt độ 450C với lưu lượng khí 1,5.109m3/năm ở áp suất P =109Bar,T = 25,6 0C

Một số thiết bị được lắp đặt trong giai đoạn AFM gồm

- Cụm gom chất lỏng Slug Catcher

- Hệ thống bơm hoà dòng EJ – A/B/C (Jet compressor)

- Cụm tháp tách C-01(Deethanize)

- Thiết bị gia nhiệt dầu nóng

Sau khi nhà máy hoàn thành, chế độ vận hành này chỉ dùng làm chế độ vậnhành dự phòng khi nhà máy có sự cố

1.2.3 Chế độ vận hành cụm thiết bị tối thiểu (MF)

Cụm thiết bị tối thiểu (FM) được phát triển từ AMF với mục đích thu hồi hỗnhợp thương phẩm bupro Sau khi hoàn thành giai đoạn GPP, vận hành máy theochế độ MF được dùng làm chế độ hoạt động dự phòng cho trường hợp không thểvận hành nhà máy theo chế độ GPP

Ở chế độ vận hành MF ngoài các thiết bị của AMF người ta bổ sung thêm cácthiết bị khác với mục đích thu hồi hỗn hợp sản phẩm Bupro Các thiết bị được lắpđặt trong giai đoạn này bao gồm:

- Cụm tháp ổn định C-02 (Stabilizer)

- Thiết bị trao đổi nhiệt khí lạnh/khí E-14 (Cold gar/Gar Exchanger)

- Thiết bị trao đổi nhiệt khí/lỏng lạnh E-20 (Gar Cold Liquid Exchanger).

- Máy nén khí đỉnh tháp tách Etan C-01 (Deethanizer Ocer Head Comprssor)

- Cụm thiết bị hấp thụ làm khô khí V-06A/B

1.2.4 Chế độ vận hành hoàn chỉnh (GPP)

Giai đoạn GPP (Gar Processing Plant): Nhà máy gồm các thiết bị hoàn chỉnhđược phát triển từ cụm MF với mục đích tách và thu hồi condensate, Butan,Propan Khi hoạt động ở chế độ GPP, hiệu suất thu hồi sản phẩm lỏng cao hơn sovới các giai đoạn AMF và MF

Các thiết bị được lắp đặt bổ sung gồm:

- Thiết bị giản nở / nén khí CC - 01 (Turbo Expander/Compressor)

- Cụm tháp tách Propan, Butan C – 03 (C3/ C4 Splitter)

- Tháp chưng cất C – 04 (Gas Stripper)

- Máy nén khí K - 02(Expander Deethanizer Overhead Compressor)

- Máy nén khí K - 03 (2 nd Stage Overhead Gas Compressor)

Có thể tóm tắt sơ đồ công nghệ nhà máy như sau:

- Tách sơ bộ các Hydrocacbon nặng nhất, chủ yếu là C5+, và nước

- Hạ nhiệt độ dòng khí thu được sau khi các Hydrocacbon nặng và nước đã tách ra đến nhiệt độ rất thấp, khoảng -200C đến -600C Việc hạ nhiệt độ sâu như vậy có tác dụng hoá lỏng một lượng C3+ lớn nhất, bởi vì vậy cần loại thật hết nước, do đó phải sử dụng phương pháp hấp thụ để loại nước

- Sau khi tách khí đốt, các dòng lỏng được nhập lại và được phân tách thành LPG C3, LPG C4 và condensat

- Nhà máy hoạt động để tách những lượng tối đa C3, C4, condensat Công suấtnhà máy 4,5 triệu m3 khí đồng hành/ngày

Kết luận: Từ phân tích trên ta thấy trong công nghệ chế biến khí hoá lỏng

người ta dùng nhiều các tháp chưng cất Việc nghiên cứu kỹ thuật động học thápchưng cất và các hệ thống điều khiển chúng sẽ cho phép cải thiện chất lượng sản

sản phẩm khí phục vụ cho nền kinh tế quốc dân Khi hoàn chỉnh thì các chế độvận hành AMF và MF sẽ là chế độ vận hành dự bị khi nhà máy bị sự cố khôngthể vận hành hoàn chỉnh Hệ thống điều khiển các tháp và cấu trúc điều khiển củanhà máy không có gì khác nhau ở các chế độ vận hành Điểm khác chủ yếu làviệc duy trì các giá trị đặt ở các chế độ vận hành khác nhau cùng với các thiết bịđược trang bị ở các chế độ vận hành tương ứng.

1.3 Tự động hoá các quá trình lọc hoá dầu và chế biến khí

1.3.1 Đặt vấn đề

Điều khiển quá trình lọc dầu và chế biến khí là một bài toán phức tạp với khốilượng tính toán lớn Giải bài toán này là nhằm đáp ứng các chỉ tiêu đặt ra cho cáchoạt động sản xuất kinh tế Điều quan trọng là các chỉ tiêu của các hoạt động nhàmáy thay đổi dần theo thời gian đối với việc điều khiển các quá trình Vì vậy cầnphân tích và đánh giá hệ thống trong trạng thái động

Mô hình toán học của các quá trình chế biến sản xuất dầu, khí rất phức tạp.Các thuật toán xác định các hành vi của hệ thống bao gồm hàng ngàn thao tác

Tự động hoá quá trình điều khiển nhà máy đã đem lại hiệu quả lớn trong laođộng sản xuất, trong việc tận dụng tối đa khả năng sáng tạo và ưu thế của cácphương tiện kỹ thuật Đồng thời cũng tạo điều kiện cho các sáng tạo của conngười Chính vì vậy trong các nhà máy chế biến khí, quá trình tự động hoá đãđược ứng dụng rộng rãi Các hệ thống điều khiển tự động được đưa vào nhằmnâng cao chất lượng sản phẩm và đảm bảo sự hoạt động an toàn, hiệu quả củanhà máy

1.3.2 Các hệ thống điều khiển ứng dụng trong công nghiệp hoá dầu và chế biến khí

Các hệ thống điều khiển tự động được đưa vào nhằm nâng cao chất lượng sảnphẩm và đảm bảo sự hoạt động an toàn, hiệu quả của nhà máy Hệ thống điềukhiển các tháp sử dụng các cấu trúc điều khiển phản hồi, điều khiển truyền thẳng,

điều khiển suy diễn…Trên thực tế các tháp sử dụng trong nhà máy là các đốitượng đa biến nhiều đầu vào và nhiều đầu ra (MIMO) Các hệ thống điều khiểnđơn biến không đáp ứng yêu cầu của hệ thống MIMO này Vì vậy việc nghiêncứu và hoàn thiện hệ thống điều khiển các tháp chưng cất là vấn đề hết sức quan

trọng Phụ thuộc vào mục đích và đối tượng điều khiển mà người ta có thể ứng

dụng các loại điều hiển khác nhau

1.3.2.1 Điều khiển phản hồi

Xét quá trình tổng quá như hình 1.4 sơ đồ có đầu ra y, đại lượng điều khiển

m Mục đích điều khiển của ta là giữ giá trị đầu ra y ở mức đặt trước

Hình 1.4 Sơ đồ điều khiển phản hồi tổng quát Tác động phản hồi tiến hành theo các bước sau:

1-Đo giá trị đầu ra (lưu lượng, áp suất, mức chất lỏng, nhiệt độ, thành phần) 2-So sánh giá trị ym với giá trị đặt ysp của đầu ra Sai số e = ysp –ym

3- Giá trị sai số e được cung cấp cho bộ điều khiển chính Bộ điều khiển làmthay đổi giá trị của biến điều khiển m bằng cách giảm độ lớn của sai số e Thôngthường bộ điều khiển không tác động trực tiếp lên biến điều khiển nhưng lạithông qua một biến khác(thường là van điều khiển) được xem như là phần tửđiều khiển đầu cuối

Như vậy điều khiển phản hồi là dựa trên nguyên tắc liên tục đo giá trị biếnđược điều khiển và phản hồi thông tin về bộ điều khiển để tính toán lại giá trị củabiến điều khiển.

Ví dụ về các hệ điều khiển phản hồi:

- Điều khiển lưu lượng (FC)

- Điều khiển áp suất(PC)

2- Dụng cụ đo hay cảm biến

3- Đường truyền: được dùng để truyền tín hiệu từ cảm biến đến bộ điềukhiển, tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển đến phần tử cuối (chấp hành)

4- Bộ điều khiển: bao gồm cả chức năng so sánh Đó là khối logic dùng đểgiả quyết việc thay đổi giá trị các biến điều khiển

5- Phần tử điều khiển cuối: hay được goi là thiết bị chấp hành thường là vanđiều khiển hay máy bơm có thể thay đổi được tốc độ Đó là thiết bị nhận tín hiệu

từ bộ điều khiển

Các dạng bộ điều khiển phản hồi gồm: Bộ điều khiển tỷ lệ (P), bộ điều khiển

tỷ lệ tích phân (PI), bộ điều khiển tỷ lệ vi tích phân (PID)

Điều khiển phản hồi được dùng khá phổ biến trong hệ thống điều khiển thápchưng cất của nhà máy chế biến khí

1.3.2.2 Điều khiển bù nhiễu.

Hình 1.5: Sơ đồ điều khiển bù nhiễu tổng quát.

Như ta đã biết điều khiển phản hồi có những hạn chế riêng như về ổn định

hệ thống là vấn đề riêng của điều khiển phản hồi, bộ điều khiển phản hồi làmviệc theo nguyên tắc phản ứng Có nghĩa là chỉ khi có ảnh hưởng của nhiễu đãthể hiện rõ trong giá trị biến được điều khiển thì mới có tác động trở lại Nhưvậy, trước khi bộ điều khiển kịp đưa ra tác động điều chỉnh thì chất lượng sảnphẩm đã bị ảnh hưởng rồi Vì vậy trong điều khiển phản hồi cần loại bỏ cácnhiễu tác động vào quá trình trước khi nhiễu tác động vào quá trình Nếu đo đượcnhiễu ta có thể gửi tín hiệu này thông qua thuật toán điều khiển bù nhiễu để đạtđược thay đổi trong các biến điều khiển gần với giá trị đặt

Khái niệm cơ bản của điều khiển bù nhiễu là loại bỏ nhiễu khi chúng tácđộng vào quá trình và điều khiển sao cho biến đầu ra được giữ không đổi màkhông chờ cho tới khi nhiễu tác động vào hệ thống và làm cho hệ thống bị sailệch rồi mới hiệu chỉnh Nếu có một nhiễu tác động vào quá trình thì có thể tạonên một tác động tương tự để bù lại ảnh hưởng của nhiễu đó lên quá trình Điềukhiển bù nhiễu được dùng nhiều trong kỹ thuật hoá dầu hơn so với các ngành kỹthuật khác Các hệ thống hoá dầu thường thay đổi chậm và có tính phi tuyếnmạnh, nhiều biến và tồn tại thời gian trễ Tất cả các đặc điểm này làm cho bộđiều khiển phản hồi gặp khó khăn Các bộ điều khiển bù nhiễu có thể giải quyếtcác vấn đề trên một cách dễ dàng

Trong hệ thống điều khiển các tháp chưng cất của nhà máy chế biến khí sửdụng chủ yếu là điều khiển bù nhiễu và điều khiển phản hồi Điều khiển bù nhiễudùng để điều chỉnh áp suất của tháp Điều khiển phản hồi dùng để điều khiển lưulượng, nồng độ, nhiệt độ

1.4 Đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển tháp chưng cất của nhà máy chế biến khí

1.4.1 Hệ thống điều khiển tháp chưng cất C-01

Tháp C-01 là tháp khử etan Nhiệm vụ chính của tháp C-01 là tách cáchydrocacbon nhẹ như metan, etan ra khỏi hỗn hợp khí, đồng thời cung cấp cáckhí thương phẩm cho các nhà máy điện, bước đầu ổn định khí hóa lỏng (PLG) đểcho quá trình xử lý tiếp theo

Sau đây ta khảo sát đánh giá sơ đồ điều khiển tháp C-01 Đây là tháp điểnhình trong nhà máy Đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển tháp này sẽ cho tacái nhìn tương đối tổng quát trong việc nâng cao chất lượng hệ thống điều khiểncác tháp chưng cất khác Hình 1.6 mô tả tổng quát sơ đồ hệ thống điều khiển thápchưng cất c-01 Chỉ tiêu chất lượng của hệ thống điều khiển C-01 được đánh giáthông qua việc duy trì ổn định các thành phần các sản phẩm đỉnh và đáy tháp.Ngoài ra để đảm bảo năng suất , người ta đưa vào vòng điều khiển mức ở đỉnh vàđáy tháp Tháp C-01 có 2 dòng cấp liệu Một dòng đi từ bình ngưng C-05 đến ởphần đỉnh tháp đóng vai trò là dong hồi lưu Một dòng cấp liệu đến từ đáy thápC04 Dòng đi vào đỉnh tháp được duy trì ở nhiệt độ -23C, 95 lỏng với cácthành phần trong hỗn hợp như sau :

Hình 1.6 Sơ đồ hệ thống điều khiển tháp chưng cất C-01.

Đặc tính của dòng cấp liệu đưa vào giữa tháp: nhiệt độ 80C, 28 lỏng

đỉnh tháp chủ yếu là khí metan và etan Thành phần C1+C2 chỉ chiến 1 Mol ởnhiệt độ 109o C.

Hệ thống điều khiển tháp phải đảm bảo duy trì độ tinh khiết của các sảnphẩm đỉnh và đáy tháp Hay nói cách khác hệ thống điều khiển sẽ đảm bảo điềuchỉnh và giữ ổn định nhiệt độ của tháp là 109o C Trên thực tế các chỉ tiêu trên đãđược duy trì Bằng việc điều khiển tháp C-01 sử dụng điều khiển phản hồi đốivới vòng điều khiển đỉnh và đáy tháp Để đảm bảo năng suất người ta sử dụnghai mạch phản hồi ở đỉnh và đáy tháp để ổn định khối lượng khí ở đỉnh và đáytháp Các vòng điều khiển độc lập nhau, thường dùng các bộ điều khiển kinh điển

P, PI thông dụng Hệ thống điều khiển chưa chú ý đến tác động qua lại của cácvòng điều khiển

1.5 Kết luận

Qua phân tích trên ta thấy các tháp dùng trong nhà máy chủ yếu là các tháphình trụ nhiều đĩa Hệ thống điều khiển các tháp sử dụng điều khiển phản hồi vàđiều khiển bù nhiễu Các bộ điều khiển dùng các bộ P,PI kinh điển Hệ thốngđiều khiển các tháp của nhà máy đã duy trì được các chỉ tiêu chất lượng theo yêucầu Tuy nhiên trong quá trình vận hành, khi thay đổi dòng hồi lưu để duy trì giátrị đặt của sản phẩm đỉnh thì đồng thời nó cũng ảnh hưởng đến chất lượng sảnphẩm đáy tháp, do đó làm ảnh hưởng đến chất lượng nói chung của nhà máy.Hay nói cách khác, các tháp sử dụng trong nhà máy là đối tượng đa biến, việcthay đổi tham số ở đầu vào đều ảnh hưởng đến các tham số khác tại đầu ra củatháp Các hệ thống điều khiển đơn biến không đáp ứng yêu cầu của các hệMIMO này

Ngoài ra qua khảo sát và phân tích ở trên cũng nhận thấy rằng chưng cất vàcác tháp chưng cất được dùng phổ biến trong công nghệ lọc hoá dầu và chế biếnkhí tự nhiên Việc nghiên cứu và hoàn thiện các hệ thống điều khiển các thápchưng cất là vấn đề hết sức quan trọng Vì vậy luận văn sẽ chú trọng nghiên cứuxây dựng mô hình để mô phỏng, khảo sát và đánh giá đặc tính của tháp, qua đó

đề xuất giải pháp nâng cao chất lượng các hệ thống điều khiển các tháp lọc dầu

và hóa lỏng khí

CHƯƠNG II: KHẢO SÁT ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG ĐIỀU

KHIỂN THÁP CHƯNG CẤT LỌC DẦU VÀ HÓA LỎNG KHÍ.

2.1 Đặt vấn đề.

Khảo sát các đặc tính của tháp chưng cất là vấn đề rất quan trọng để đưa rasách lược điều khiển phù hợp nhằm nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển cáctháp chưng cất trong công nghiệp chế biến dầu và hóa lỏng khí

Người ta tiến hành mô hình hóa tháp chưng cất để khảo sát các đặc tính củatháp Việc lựa chọn mức độ chi tiết và chính xác trong mô hình hóa phụ thuộcvào các yếu tố như:

- Yêu cầu và mục đích sử dụng cụ thể của mô hình

- Chi phí mô hình hóa

- Độ tin cậy của thông tin về đối tượng hay quá trình

Sau đây ta sẽ đề cập đến các công thức cơ bản liên quan đến việc mô hình hóatháp chưng cất

2.2 Giới thiệu tháp chưng cất.

Chưng cất là phương pháp phân tách cơ bản, lâu đời nhất được sử dụng trongcông nghiệp dầu mỏ và chế biến khí tự nhiên Tháp chưng cất có thể được sửdụng để tách các thành phần hóa học riêng biệt khi có sự khác biệt về nồng độcủa các thành phần trong pha lỏng và pha hơi

Trong công nghiệp lọc hóa dầu để chưng cất người ta thường dùng các thiết

bị chưng cất Thiết bị chưng cất gồm tháp chưng cất và bình tách cùng các thiết

bị hỗ trợ như thiết bị làm lạnh, thiết bị ngưng tụ, lò gia nhiệt,…

Tháp chừng cất là thiết bị trung tâm trong phân xưởng chưng cất Hầu hết cáctháp chưng cất dùng trong công nghệ lọc dầu là tháp đĩa hình trụ Trong thápchưng cất có nhiều đĩa lọc Đĩa lọc là một cấu trúc cơ khí nằm ngang trong thápchưng cất có tác dụng tạo điều kiện cho pha hơi bay lên pha lỏng đi xuống tiếpxúc với nhau một cách tốt nhất, đủ lâu để sự trao đổi giữa chúng xảy ra hoàn hảo

Hình 2.1 : Sơ đồ tổng quát một tháp

chưng cất

Đường kính của tháp chưng cất phụ

thuộc vào lưu lượng nguyên liệu để chưng

cất Chiều cao của tháp phụ thuộc vào số

đĩa lọc Khoảng cách giữa hai đĩa liên tiếp

nhau khoảng 0,25 - 0,8 m

2.3 Cơ sở xây dựng mô hình tháp chưng cất và đặc tính

2.3.1 Các kiến thức cơ bản về chưng cất

2.3.1.1 Sơ đồ nguyên lý một tháp chưng cất tổng quát

n,

V y n

n n-1

f

1

R

y Vïng cÊt

Hình 2.2 Sơ đồ tháp chưng cất.

Trên sơ đồ các ký hệu biểu thị ý nghĩa sau:

F - Lưu lượng dòng nạp liệu (kmol/ph)

zF – Thành phần nguyên liệu trong dòng nạp (phần mol của hợp chất nhẹ)

qF - Phần lỏng trong hỗn hợp nạp

D – Lưu lượng dòng sản phẩm đỉnh (kmol/ph)

B – Lưu lượng dòng sản phẩm đáy (kmol/pt)

Vùng chưng: Từ đĩa nạp liệu xuống đáy tháp

Vùng nạp liệu: Vị trí đĩa nạp

R – Lưu lượng dòng hồi lưu (kmol/ph)

N - Số đĩa lý thuyết

i – Ký hiệu số thứ tự của đĩa

Ln và Vn - là tốc độ dòng mol toàn phần của pha lỏng và pha hơi tươngứng khi rời khỏi đĩa n

xD - Thành phần (phần mol) sản phẩm đỉnh ( thành phần hợp chất nhẹ có ởđỉnh tháp)(%)

xB - Thành phần (phần mol) sản phẩm đáy ( thành phần hợp chất nhẹ có ởđáy tháp)(%)

xi, yi – Thành phần (phần mol) của pha lỏng và hơi trên đĩa thứ i (thườngdùng để chỉ thành phần hợp chất nhẹ, hợp chất dễ bay hơi, có trong pha lỏng vàhơi)

Gọi N là số đĩa của tháp được tính từ đáy tháp lên đỉnh tháp Dòng nạpliệu F được đưa vào ở đĩa NF (1<NF<N)

LR ký hiệu dòng hồi lưu ở đỉnh tháp (kmol/ph);

VS là dòng gia nhiệt ở đáy tháp (kmol/ph);

Mi là khối lượng chất lỏng đọng lại trên đĩa thứ i;

Ta có sơ đồ tháp chưng cất với cấu hình điều khiển LV

( Nhiễu)

Giá trị đặt (92%) Nồng độ sản phẩm đỉnh

Nồng độ sản phẩm đáy (1.5%)

CC

C

Đầu ra bộ điều khiển (47,5%)

Giá trị đặt (1,5%)

(213 kg/min) Hơi n ớc

khiển (51,4%)

Đầu ra bộ điều

(840 kg/min) Dòng phản hồi

(547kg/min)

Dòng vào

Hỡnh 2.3.Sơ đồ thỏp chưng cất với cấu hỡnh điều khiển LV

Xột hỗn hợp 2 thành phần A và B cần được tỏch thành 2 dũng sản phẩm bằngcỏch dựng phương phỏp chưng cất truyền thống Hỗn hợp được nạp vào dướidạng chất lỏng tại đĩa nạp Nf với lưu lượng và F (kmol/ph) và phần mol của hỗnhợp nạp (của hợp chất A cú trong hỗn hợp nạp) là ZF Phớa trờn đỉnh dũng hơiđược làm lạnh và ngưng tụ hoàn toàn, sau đú nú được đưa vào bỡnh chứa hồi lưu.Việc làm lạnh hơi trờn đỉnh thỏp được thực hiện bằng nước lạnh Chất lỏng từbỡnh hồi lưu một phần được bơm trở lại vào thỏp (ở đĩa trờn cựng N) với lưulượng R (dũng hồi lưu) một phần được lấy đi dưới dạng sản phẩm chưng cất ởđỉnh với lưu lượng là D

Thỏp chứa N đĩa tớnh từ đỏy thỏp đến đỉnh thỏp Gọi Mi là lượng chất lỏngđọng lại trờn đĩa thứ i Để đơn giản trong việc mụ tả hệ thống, ta đưa ra cỏc giả

1 Lượng hơi dư trên mỗi đĩa được bỏ qua.

2 Lượng mol nhiệt hoá hơi của cả hai thành phần A,B gần như nhau: Điềunày có nghĩa là 1 mol hơi ngưng tụ toả ra lượng nhiệt đủ để hoá hơi một mol chấtlỏng

3 Tổn thất nhiệt từ tháp ra môi trường xung quanh được bỏ qua

4 Độ bay hơi tương đối của cả hai thành phần được xem là không đổitrong toàn bộ tháp

5 Mỗi đĩa được xem là có hiệu suất 100% (có nghĩa là lượng hơi bay ra khỏiđĩa bằng với chất lỏng ở trên đĩa)

6 Bỏ qua động học của quá trình ngưng tụ và gia nhiệt

7 Bỏ qua sự cân bằng động lượng đối với mỗi đĩa và giả thiết rằng lưu lượngmol chất lỏng lấy đi khỏi mỗi đĩa liên quan với chất lỏng dư lại trên đĩa

i

 = 1

Trong công nghiệp dầu mỏ, giá trị Ki được gọi là hằng số cân bằng pha củahydrocacbon, nó đặc trưng cho sự phân bố của các chất giữa các pha ở điều kiệncân bằng, nó được xác định như tỉ lệ nồng độ thành phần hơi yi với nồng độthành phần lỏng xi

i i

i

y K x

 (2.2)

Ki là một hàm phụ thuộc vào nhiệt độ, thành phần và áp suất

2.3.1.3 Tính toán điểm bọt và điểm sương

1 Tính toán điểm bọt

Điểm bọt là điều kiện mà tại đó hơi ngưng tụ hoàn toàn thành lỏng

Nhiệt độ ở đáy tháp thỏa mãn phương trình

Nc

i i i

x P y

P

 (2.5)

2 Tính toán điểm sương

Trong tính toán điểm sương, chúng ta phải biết nồng độ thành phần của phahơi yi ở nhiệt độ T và áp suất P

Điểm sương được định nghĩa là toàn bộ hệ ở trạng thái hơi, trường hợp nàythành phần của hỗn hợp bằng thành phần pha hơi yi Điều kiện để hệ hoàn toàn ởtrạng thái hơi thì chúng phải thỏa mãn phương trình sau:

1

Nc i

y P

i

y P x

P

 (2.8)

3 Tính toán điểm đẳng nhiệt flash

Cân bằng tổng khối lượng vật chất

x P y

P

 vậy suy ra ta có phương trình sau:

0 1

Khi tính toán một đường flash nào thì ta phải xác định xem áp suất và nhiệt

độ trong hỗn hợp dòng cấp liệu có nằm trong vùng 2 pha không

2.3.1.4 Hệ số bay hơi tương đối.

Hệ số bay hơi tương đối được định nghĩa là một thước đo để đánh giá khảnăng phân tách của các cấu tử trong công đoạn chưng

Với hệ nhị phân hỗn hợp khí lý tưởng thỏa mãn định luật Raoult thì ta có αbiểu diễn bằng tỉ số giữa áp suất hơi của chất nhẹ và chất nặng như sau:

/

(1 ) / (1 )

L H

i i

i i i

x y

2.3.1.5 Phương trình cân bằng dòng toàn phần

Phương trình cân bằng khối lượng vật chất và nồng độ cấu tử của tháp:

d Cấp liệu nhiệt flash

Điều kiện nhiệt lượng của nguồn cấp được xác định bởi tham số q:

2.3.1.6 Xác định số đĩa lý thuyết

Số đĩa lý thuyết được xác định theo phương trình Fenske Để sử dụng phươngtrình này thì trước hết trong tổng số các cấu tử của hệ chưng cất phải chọn ra haicấu tử quan trọng nhất Cấu tử nhẹ được ký hiệu là LK, và cấu tử nặng được kýhiệu là HK Các cấu tử nhẹ đại diện cho các chất vùng cất và nó chiếm %mol chủyếu ở vùng cất và có mặt không đáng kể ở sản phẩm đáy Và nhiệt độ sôi của nó

là đại diện tốt nhất cho nhiệt độ sôi của các cấu tử ở đỉnh Ngược lại các cấu tửnặng chủ yếu phải ở đáy và có măt rất ít ở đỉnh, có nồng độ đủ lớn ở đáy và nhiệt

độ sôi của nó đại diện tốt nhất cho nhiệt độ sôi của các cấu tử nằm trọng cặn.Nhiệt độ trung bình của tháp được xác định

0

,( )2

Xác định độ bay hơi tương đối αLH của LK và HK Chúng được xác định bằng

tỷ số áp suất hơi bão hòa hoặc tỉ số hằng số cân bằng

( ) ( )

I LK LH

Xác định vị trí đĩa nạp liệu bằng phương trình KirkBride

2.3.1.7 Cân bằng vật chất trong đĩa chưng cất

1.Phương trình cân bằng khối lượng tại các đĩa :

Tại thiết bị ngưng tụ:

Tại đĩa n đĩa trên cùng:

Để hiểu rõ các quá trình xảy ra trong tháp chưng cất ta có thể sử dụng các phầnmềm hiện đại để nghiên cứu động học của tháp và đưa ra các thuật toán điềukhiển tháp một cách hợp lý Trong phần này sẽ nghiên cứu xây dựng mô hình môphỏng đặc tính của tháp chưng cất nhằm phục vụ cho việc xây dựng hệ thốngđiều khiển tháp

2.4 Mô hình toán học tháp chưng cất

Để xây dựng mô hình tháp chưng cất ta sử dụng sơ đồ tháp chưng cất nhưhình 2.1 Hình 2.1 mô tả sơ đồ tháp chưng cất điển hình để tạo ra hai sản phẩmđược lấy ra ở đỉnh và ở đáy tháp

Việc xác định mô hình toán học sẽ cho ta mối quan hệ quan trong của cácvòng điều khiển phản hồi Với các biến B và D để điều khiển mức trong thiết bịgia nhiệt và trong bình ngưng Sử dụng VB và R để điều khiển nồng độ thànhphần xB và yD

Cân bằng toàn bộ khối lượng và cân bằng khối lượng các thành phần được

mô tả bởi biểu thức sau:

Phương trình cân bằng mô tả lưu lượng dòng pha hơi trong tháp:

Dòng nạp là hỗn hợp hơi bão hoà qF=0

Dòng nạp là hỗn hợp hơi quá nhiệt qF<0

F=D+B

FzF=DxD +BxB

Các phương trình cân bằng vật chất toàn phần trên các đĩa khác nhau được biểu thị qua các phương trình vi phân sau: