1 Mục đích quá trình sấy khí Sấy khí là quá trình tách nước ra khỏi khí. Đây là quá trình rất quan trọng vì khí tự nhiên và khí đồng hành khai thác từ lòng đất thường bão hoà hơi nước. Vì vậy quá trình vận chuyển và chế biến khí hơi nước có thể bị ngưng tụ tạo thành các tinh thể rắn (gọi là các tinh thể hydrat) chúng dễ bị đóng cục chiếm các khoảng không trong ống hay thiết bị, phá vỡ điều kiện làm việc bình thường đối với các dây chuyền khai thác, vận chuyển và chế biến khí. Ngoài ra sự có mặt của hơi nước và các hợp chất chứa lưu huỳnh( H2S và các chất CO2 …) sẽ là nguyên nhân thúc đẩy sự ăn mòn kim loại, làm giảm tuổi thọ của thiết bị. 1.1.2 Phương pháp sấy khô khí Có nhiều phương pháp khác nhau để sấy khí (ngăn ngừa sự hình thành các hydrat): phương pháp hấp thụ, hấp phụ, ngưng tụ, sử dụng chất ức chế với mục đích nhằm hạ nhiệt độ điểm sương theo nước thấp hơn nhiệt độ cực tiểu mà tại đó khí được vận chuyển hay chế biến. Mặc dù có những phương pháp đơn giản nhất là làm lạnh khí ẩm đến dưới nhiệt độ điểm sương của hỗn hợp khí nhưng nếu chỉ làm lạnh không thì sẽ không đủ và khó điều khiển quá trình. Hiện nay các phương pháp sử dụng phổ biến nhất là hấp thụ và hấp phụ. 1.1.3.Nguyên tắc của quá trình sấy khí Qúa trình hấp thụ dựa trên nguyên tắc của quá trình vật lý trong đó sử dụng chất lỏng làm dung môi để hút ẩm nhờ sự khác nhau về áp suất riêng của hơi nước trong khí và trong chất hấp phụ ( lượng ẩm trong hỗn hợp khí giảm sao cho áp suất riêng phần của hơi nước nhỏ hơn áp suất hơi bão hoà của hydrat).
Trang 1MỤC LỤC
Trang
MỞ ĐẦU 2
Chương 1 Mô tả quá trình công nghệ 3
1.1 Giới thiệu quá trình sấy khí 3
1.1.1 Mục đích của quá trình sấy khí 3
1.1.2 Phương pháp sấy khô khí 3
1.1.3 Nguyên tắc của quá trình sấy khô khí 3
1.2 Nguyên liệu và dung môi cho quá trình hấp thụ 4
1.2.1 Nguyên liệu 4
1.2.2 Dung môi hấp thụ 4
1.2.3 Thiết bị 5
1.3 Sơ đồ công nghệ sấy khí bằng phương pháp hấp thụ với sự tái sinh chân không 6
1.3.1 Sơ đồ công nghệ 6
1.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến mức độ hấp thụ hơi nước 7
1.3.3 Các thông số của quá trình 8
Chương 2 Phân tích quá trình công nghệ với tư cách là đối tượng tự động điều chỉnh 10
2.1 Sơ đồ cấu trúc của hệ điều khiển tự động 10
2.1.1 Sơ đồ thông số của quá trình hấp thụ khí ẩm 10
2.1.2 Sơ đồ cấu trúc của hệ điều khiển tự động 11
2.2 Phân tích mối quan hệ tương quan giữa các thông số điều chỉnh với các tác động điều chỉnh để đưa ra tác động điều chỉnh phù hợp 12
2.2.1 Nhiệt độ 12
2.2.2 Áp suất 13
2.2.3 Lưu lượng 13
2.2.4 Mức chất lỏng 14
Chương 3 Thiết lập hệ thống tự động điều khiển quá trình sấy khí bằng glycol 15
3.1 Thiết lập sơ đồ chức năng đo và điều khiển tự động 15
3.1.1 Đo và điều khiển nhiệt độ 15
3.1.2 Đo và điều khiển áp suất 17
3.1.3 Đo và điều chỉnh mức chất lỏng 19
3.1.4 Đo và điều chỉnh lưu lượng 20
Trang 2DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Sơ đồ nguyên tắc công nghệ sấy hấp thụ khí với sự tái sinh chân không glycol o6
Hình 2.1 Sơ đồ thông số của quá trình hấp thụ khí ẩm 10
Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc của hệ điều khiển tự động 11
Hình 3.1 Sơ đồ chức năng đo và điều khiển nhiệt độ của tháp hấp thụ 15
Hình 3.2 Sơ đồ đo và điều khiển nhiệt độ ở đáy tháp tái sinh glycol 16
Hình 3.3 Sơ đồ đo và điều khiển áp suất ở tháp hấp thụ 17
Hình 3.4 Sơ đồ đo và điều khiển áp suất ở tháp tái sinh 18
Hính 3.5 Sơ đồ đo và điều khiển mức chất lỏng ở tháp hấp thụ 19
Hình 3.6 Sơ đồ đo và diều khiển lưu lượng 20
Hình 3.7 Sơ đồ chức năng đo và điều khiển tụ động cho oàn bộ dây chuyền công nghệ sấy khí bằng phương pháp hấp thụ 21
Trang 3MỞ ĐẦU
Khí tự nhiên và khí dầu mỏ là các sản phẩm có nhiều ứng dụng trongcông nghiệp và đời sống, nó là nguồn nguyên liệu ban đầu cho các quá trìnhsản xuất LPG, CNG, các sản phẩm hóa dầu … Khí khai thác lên bao giờcũng chứa một lượng ẩm nhất định, vì vậy mà khâu tách ẩm chuẩn bị trướckhi đưa khí vào các quá trình sản xuất khác là rất quan trọng Trong quátrình này để tạo ra được khí khô thì phải đảm bảo được nồng độ dung môihấp thụ, vì vậy mà phải lắp bộ điều chỉnh tự động để theo dõi khi nồng độcủa dung môi không đảm bảo
Trong tiểu luận này em tìm hiểu về “ Tự động hóa trong quá trình sấy khí bằng phương pháp hấp thụ”.
Tuy nhiên vì công nghệ này em chưa được tiếp xúc trực tiếp với thiết
bi - dây chuyền công nghệ, kiến thức về tự động hóa chưa chuyên sâu nêntrong quá trình làm về phần thiết lập hệ thống tự động điều khiển cho quátrình, do vậy nên có những sai xót- Kính mong Thầy hướng dẫn, giúp đỡ để
em được hiểu kỹ hơn, hoàn thiện kiến thức của mình
Trang 4CHƯƠNG 1 MÔ TẢ QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ
1.1.Giới thiệu quá trình sấy khí:[2,3]
1.1.1 Mục đích quá trình sấy khí
Sấy khí là quá trình tách nước ra khỏi khí Đây là quá trình rất quantrọng vì khí tự nhiên và khí đồng hành khai thác từ lòng đất thường bão hoàhơi nước Vì vậy quá trình vận chuyển và chế biến khí hơi nước có thể bịngưng tụ tạo thành các tinh thể rắn (gọi là các tinh thể hydrat) chúng dễ bịđóng cục chiếm các khoảng không trong ống hay thiết bị, phá vỡ điều kiệnlàm việc bình thường đối với các dây chuyền khai thác, vận chuyển và chếbiến khí Ngoài ra sự có mặt của hơi nước và các hợp chất chứa lưuhuỳnh( H2S và các chất CO2 …) sẽ là nguyên nhân thúc đẩy sự ăn mòn kimloại, làm giảm tuổi thọ của thiết bị
1.1.2 Phương pháp sấy khô khí
Có nhiều phương pháp khác nhau để sấy khí (ngăn ngừa sự hình thànhcác hydrat): phương pháp hấp thụ, hấp phụ, ngưng tụ, sử dụng chất ức chế
với mục đích nhằm hạ nhiệt độ điểm sương theo nước thấp hơn nhiệt
độ cực tiểu mà tại đó khí được vận chuyển hay chế biến Mặc dù có nhữngphương pháp đơn giản nhất là làm lạnh khí ẩm đến dưới nhiệt độ điểmsương của hỗn hợp khí nhưng nếu chỉ làm lạnh không thì sẽ không đủ vàkhó điều khiển quá trình Hiện nay các phương pháp sử dụng phổ biến nhất
là hấp thụ và hấp phụ
Trang 51.1.3.Nguyên tắc của quá trình sấy khí
Qúa trình hấp thụ dựa trên nguyên tắc của quá trình vật lý trong đó sửdụng chất lỏng làm dung môi để hút ẩm nhờ sự khác nhau về áp suất riêngcủa hơi nước trong khí và trong chất hấp phụ ( lượng ẩm trong hỗn hợp khígiảm sao cho áp suất riêng phần của hơi nước nhỏ hơn áp suất hơi bão hoàcủa hydrat)
1.2 Nguyên liệu và dung môi cho quá trình hấp thụ:
ăn mòn, cho phép dùng kim loại rẻ tiền để chế tạo thiết bị
Khả năng tách ẩm được đánh giá qua nồng độ của glycol, nồng độ củaglycol càng cao mức độ sấy khí càng cao (điểm sương càng thấp)
Ngoài ra còn phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ, sự tiếp xúc giữa khí vớichất hấp thụ, khối lượng chất hấp thụ tuần hoàn và độ nhớt của nó Nhiệt độgiới hạn trên của quá trình sấy hấp thụ được xác định bằng sự tiêu hao chophép của glycol do bay hơi và trong thực tế nhiệt độ này vào khoảng 380C.Còn giới hạn dưới phụ thuộc vào sự giảm khả năng hút ẩm của chất hấp thụgây ra do sự tăng độ nhớt của glycol Nhiệt độ tiếp xúc cực tiểu đối vớiglycol là vào khoảng 100C
Trong số các yếu tố trên thì nồng độ glycol được xem là yếu tố ảnhhưởng mạnh nhất đến điểm sương của khí Mà nồng độ của glycol được xácđịnh bằng nhiệt độ tái sinh nó Vấn đề lựa chọn nhiệt độ và áp suất tái sinh
Trang 6rất quan trọng vì ở nhiệt độ và áp suất lựa chọn phải đảm bảo cho nồng độglycol cao (98-99% kl) mà không bị phân hủy Quá trình tái sinh glycol chủyếu là dùng phương pháp chưng cất, ở áp suất khí quyển thực tế không thuđược dung dịch glycol cao hơn 97%kl và nếu chưng ở nhiệt độ cao 164,40Cđối với DEG, 206,70C đối với TEG thì một phần glycol sẽ bị phân huỷkhông đảm bảo chất lượng của dung môi hấp thụ Do vậy glycol thườngđược tái sinh bằng phương pháp chưng chân không.
Để thu được glycol với nồng độ lớn hơn 99%kl ngoài phương phápchưng chân không còn sử dụng phương pháp thổi khí (dùng khí sạch khôngchứa xăng và các chất hữu cơ) mục đích làm giảm áp suất hơi nước trên bềmặt dung dịch, do vậy sẽ thúc đẩy sự bốc hơi của nước từ dung dịch
Nồng độ glycol còn có thể điều chế bằng phương pháp chưng đẳngphí (các tác nhân đẳng phí sẽ kết hợp với nước tạo thành hỗn hợp đẳng phí).Điểm sôi của tác nhân đẳng phí cần phải thấp hơn nhiệt độ phân huỷ củaglylcol Thường sử dụng Benzen,Toluen hoặc Xylen để làm tác nhân đẳngphí
1.2.3 Thiết bị:
Thiết bị sử dụng trong quá trình hấp thụ thường là tháp đệm, khí ẩm đi
từ dưới lên tiếp xúc với dung môi glycol đi từ trên xuống, sự bố trí các lớpđệm làm tăng khả năng và thời gian tiếp xúc, vì vậy mà khả năng hấp thụtăng lên
Quá trình chưng để thu hồi glycol được tiến hành trong tháp chưng cóthể sử dụng các loại tháp khác nhau như tháp đĩa, thấp đệm, tháp mâm lỗ,…Trong đó glycol bão hòa được đưa vào từ giữa tháp ở nhiệt độ sôi, sự tiếpxúc của hai dòng lỏng hồi lưu và hơi lên từ đỉnh tháp tại các đĩa hoặc lớpđệm làm cho quá trình truyền chất xảy ra Kết quả là ta thu được glycol đậmđặc ở đáy tháp với nồng độ đạt theo yêu cầu
Trang 7Thiết bị làm tháp, với khí ẩm trong thành phần nguyên liệu có thểchứa một lượng khí H2S và CO2 ăn mòn thiết bị vì vậy vật liệu làm tháp hấpthụ phải là thép không gỉ.
1.3.Sơ đồ công nghệ sấy khí bằng phương pháp hấp thụ với sự tái sinh chân không:
1.3.1 Sơ đồ công nghệ
Hình 1.1: Sơ đồ nguyên tắc công nghệ sấy hấp thụ khí với sự tái sinhchân không glycol (Tác nhân sấy: TEG)
3.Thiết bị nhả hấp thụ III.Dung dịch glylcol tái sinh
Trang 84.Bồn chứa chất lỏng ngưng tụ IV.Glycol bão hoà nước
5.Thiết bị đun sôi đáy tháp V.Hơi nước và khí
9.Thiết bị trao đổi nhiệt 1,2
10.Thiết bị làm lạnh
Thuyết minh sơ đồ dây chuyền công nghệ:
Khí ẩm đi từ dưới của tháp hấp thụ 1, còn TEG đậm đặc được bơmvào mâm trên cùng của tháp Sự tiếp xúc giữa khí-lỏng xảy ra sự hấp thụ,khí khô được lấy ra ở đỉnh tháp đưa đi sử dụng, phía dưới tháp đi ra là dungdịch glycol(TEG) bão hoà hơi nước Để tái sinh, dung dịch glycol được đunnóng trong thiết bị trao đổi nhiệt 9 (đun nóng bằng nhiệt của dung dịchglycol sau tái sinh), sau đó đi vào thiết bị thổi khí 2 để tách khí hydrocacbontan trong glycol Tiếp theo sẽ đi qua thiết bị trao đổi nhiệt 9 và được bơmđưa vào phần giữa của thiết bị nhả hấp 3 có áp suất 10-13 kPa được tạo ranhờ bơm chân không 7 Nhờ hơi nước trong thiết bị đun sôi đáy tháp 5 mànhiệt độ của phần đáy của thiết bị này được duy trì trong khoảng 190-2040C.Dưới những điều kiện này TEG sẽ bốc hơi và nồng độ của nó sẽ đạt đến99,5% khối lượng
Glycol tái sinh được lấy ra từ phía dưới của thiết bị nhả hấp bằng bơm
8, sau đó qua thiết bị trao đổi nhiệt 9 và được làm lạnh trong thiết bị 10 rồi
đi vào thùng chứa 6 Từ đây được bơm 8 đưa vào phía trên của tháp hấp thụ
1 Ở nhiệt độ của tháp hấp thụ 300C và nồng độ TEG 99 - 99,5% khối lượngthì điểm sương của khí giảm từ -180C đến -250C
1.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến mức độ hấp thụ hơi nước:
Trang 9Để đặc trưng cho lượng hơi nước được hấp thụ trên lượng hơi nước cótrong khí ẩm, 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
1.3.3 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 phảidùng dung dịch glycol có nồng độ đậm đặc hơn Khi đó, sẽ phát sinh thêmkhó 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 sựtiêu hao cho phép do bay hơi và trong thực tế, nhiệt độ này vào khoảng
Trang 10380C Còn nhiệt độ giới hạn dưới phụ thuộc vào sự giảm khả năng hút ẩmcủa chất hấp thụ gây ra bởi sự tăng độ nhớt của glycol Nhiệt độ cực tiểu tiếpxúc với glycol vào khoảng 100C.
Khi hàm lượng nước trong chất hấp thụ tăng thì ảnh hưởng của sự tiêuhao chất hấp thụ đến độ hạ điểm sương sẽ giảm ảnh hưởng của sự tiêu haochất 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 Khităng nồng độ của glycol thì độ hạ điểm sương sẽ mạnh hơn so với tăng tiêuhao tác nhân sấy
Nồng độ glycol trong chất hấp thụ được xác định bằng nhiệt độ tái sinh
nó ở nhiệt độ 164,40C, DEG bị phân huỷ một phần, còn ở 206,70C, TEGcũng sẽ phân huỷ Nếu tái sinh glycol ở áp suất khí quyển thì thực tế sẽkhông 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 bịphân 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
Trang 11CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ VỚI TƯ CÁCH LÀ ĐỐI TƯỢNG TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH.
2.1 Sơ đồ cấu trúc của hệ điều khiển tự động:
2.1.1 Sơ đồ thông số của quá trình hấp thụ khí ẩm:
Trang 122.1.2 Sơ đồ cấu trúc của hệ điều khiển tự động.
Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc của hệ điều khiển tự động
ĐT: Đối tượng tự động hóa; CB: Cảm biến; SS: So sánh; BĐ: Bộ đặt; N: Nguồn; BĐK: Bộ điều khiển; CCCH: Cơ cấu chấp hành; X: Tác động điều chỉnh; Y: Thông số điều chỉnh; Z: Các thông số nhiễu; Y PV : Giá trị thực
tế của thông số Y; Y SV : Giá trị đặt của thông số Y.
Dưới tác động của nhiễu Z hoặc tác động đầu vào X thay đổi, làm chothông số công nghệ Y thay đổi, hay giá trị đo được YPV thay đổi, dẫn đến giátrị sai lệch ε thay đổi, kéo theo giá trị tác động điều chỉnh µ thay đổi, và do
đó thiết bị chấp hành sẽ đưa ra tác động điều chỉnh yếu tố đầu vào để bù vàosai lệch làm cho thông số công nghệ Y trở lại bình thường
Trong dây chuyền công nghệ sấy khí đã nêu ở chương 1 thì đối tượngđiều chỉnh tự động cần quan tâm là tháp hấp thụ 1 và tháp nhả hấp 3
Yêu cầu điều khiển:
+ Đảm bảo các thông số kỹ thuật của quá trình như nhiệt độ, áp suất
để thu được sản phẩm mong muốn, với chất lượng đạt yêu cầu
+ Đảm bảo tính an toàn cho quá trình sản xuất
Các tác động điều chỉnh của tháp hấp thụ thường được dùng là lưulượng nguyên liệu, lượng dung môi hấp thụ, nhiệt độ tháp hấp thụ, còn đốivới tháp nhả hấp thụ là điều chỉnh áp suất và nhiệt độ của đáy tháp
Các thông số nhiễu chủ yếu là chất lượng nguyên liệu khí ẩm, sự cốđường ống dẫn liệu, sự cố ở thiết bị làm lạnh,…
Các thông số điều chỉnh có thể chọn là nhiệt độ tháp hấp thụ và thápnhả, áp suất trong thiết bị nhả hấp thụ, lưu lượng của dung môi, nguyên liệu
Y Z
X
e µ
Trang 132.2 Phân tích mối quan hệ tương quan giữa các thông số điều chỉnh với các tác động điều chỉnh để đưa ra tác động điều chỉnh phù hợp
2.2.1.Nhiệt độ:
Đây là thông số quan trọng trong quá trình sấy khí đặc biệt là đối vớitháp nhả hấp thụ vì nó ảnh hưởng đến nồng độ của dung môi hấp thụ, ảnhhưởng gián tiếp đến hiệu quả của quá trình sấy Ở tháp hấp thụ nồng độ củaglycol bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ của tháp Nhiệt độ cao (> 380C) làm bayhơi glycol, nhiệt độ thấp (< 100C) không đảm bảo khả năng hút ẩm củaglycol Vì vậy ở thiết bị hấp thụ phải lắp độ đo nhiệt độ đặt ở thân tháp
Để điều chỉnh nhiệt độ của tháp ta có thể lắp bộ điều chỉnh nhiệt độtác động lên độ đóng hoặc mở của van khi đưa dòng khí nóng hoặc nguộivào tháp Miền giá trị đặt để so sánh (Ysv) là 10-300C) Nếu giá trị thực đođược thấp hơn ngưỡng dưới của giá trị đặt (Ysvd = 100C) thì phải đưa ra tácđộng điều chỉnh mở van dẫn khí nóng vào để nâng nhiệt độ của tháp Ngượclại giá trị thực đo được cao hơn ngưỡng trên của giá trị đặt (Ysvd = 300C) thìphải đưa ra tác động điều chỉnh độ mở của van dẫn khí lạnh để giảm nhiệt
Trong quá trình tái sinh dung môi glycol thường sử dụng phươngpháp chưng, vì vậy mà nhiệt độ đáy tháp cần phải biết để đảm bảo glycol đạtđến nồng độ cần mà không bị phân hủy Vì vậy cần lắp bộ đo nhiệt độ ở đáytháp Và để điều chỉnh nhiệt độ ta lắp độ điều chỉnh lưu lưọng dòng hơinóng vào để đun sôi đáy tháp bằng cách tác động lên độ mở của van
