Nói đến sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật thì không thể không nói đến sự tự động hóa. Việc ứng dụng rộng rãi tự động hóa vào các quá trình công nghệ hóa, thực phẩm là một yếu tố quan trọng để thúc đẩy tiến bộ kỹ thuật của ngành hóa chất và thực phẩm. Bởi tự động hóa là việc ứng dụng các dụng cụ, các thiết bị, các máy điều khiển. Những phương tiện kỹ thuật này cho phép thực hiện các quá trình công nghệ theo một chương trình đã được tạo dựng, phù hợp với các tiêu chuẩn (điều kiện) cho trước, mà không cần sự tham gia trực tiếp của con người. Do đó, tự động hóa giúp nâng cao năng suất lao động, cho phép làm ra những sản phẩm chất lượng cao, ổn định, giá thành thấp. Chính vì những lợi ích trên mà các nhà công nghệ luôn tìm mọi cách để tự động hóa dây chuyền sản xuất của mình đến mức có thể. Trong bài tiểu luận này em xin được trình bày: Tự động hoá trong quá trình ngưng tụ nhiệt độ thấp chế biến khí đồng hành để nhận C≥3 có chu trình làm lạnh tổ hợp (chu trình làm lạnh ngoài bằng propan ,tiết lưu dòng chất lỏng và tuabin giãn nở khí). Khí đồng hành là hỗn hợp hydrocacbon C1 – C5 là nguyên liệu để sản xuất etan, propan và các hợp chất khác cho nhiều ngành kinh tế quốc dân. Vì vậy mục đích của tiểu luận này : Giới thiệu về quá trình ngưng tụ nhiệt độ thấp chế biến khí đồng hành để nhận C≥3 có chu trình làm lạnh tổ hợp (chu trình làm lạnh ngoài bằng propan ,tiết lưu dòng chất lỏng và tuabin giãn nở khí). Thiết lập sơ đồ chức năng đo và điều khiển quá trình Phân tích hoạt động của hệ điều chỉnh tự động
Trang 1Phần mở đầu
Nói đến sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật thì không thể không nói đến
sự tự động hóa Việc ứng dụng rộng rãi tự động hóa vào các quá trình công nghệ hóa, thực phẩm là một yếu tố quan trọng để thúc đẩy tiến bộ kỹ thuật của ngành hóa chất và thực phẩm Bởi tự động hóa là việc ứng dụng các dụng cụ, các thiết bị, các máy điều khiển Những phương tiện kỹ thuật này cho phép thực hiện các quá trình công nghệ theo một chương trình đã được tạo dựng, phù hợp với các tiêu chuẩn (điều kiện) cho trước, mà không cần sự tham gia trực tiếp của con người Do đó, tự động hóa giúp nâng cao năng suất lao động, cho phép làm ra những sản phẩm chất lượng cao, ổn định, giá thành thấp Chính vì những lợi ích trên mà các nhà công nghệ luôn tìm mọi cách để tự động hóa dây chuyền sản xuất của mình đến mức có thể
Trong bài tiểu luận này em xin được trình bày: Tự động hoá trong quá trình ngưng tụ nhiệt độ thấp chế biến khí đồng hành để nhận C≥3 có chu trình làm lạnh tổ hợp (chu trình làm lạnh ngoài bằng propan ,tiết lưu dòng chất lỏng và tuabin giãn nở khí)
Khí đồng hành là hỗn hợp hydrocacbon C1 – C5 là nguyên liệu để sản xuất etan, propan và các hợp chất khác cho nhiều ngành kinh tế quốc dân Vì vậy mục đích của tiểu luận này :
Giới thiệu về quá trình ngưng tụ nhiệt độ thấp chế biến khí đồng hành để nhận C≥3 có chu trình làm lạnh tổ hợp (chu trình làm lạnh ngoài bằng propan ,tiết lưu dòng chất lỏng và tuabin giãn nở khí)
Thiết lập sơ đồ chức năng đo và điều khiển quá trình
Phân tích hoạt động của hệ điều chỉnh tự động
Trang 2PHẦN I: MÔ TẢ QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ
1.1 Giới thiệu quá trình ngưng tụ nhiệt dộ thấp
1.1.1.Khái niệm quá trình ngưng tụ
Ngưng tụ là quá trình chuyển khí hoặc hơi sang trạng thái lỏng bằng cách làm lạnh khí hoặc nén làm lạnh khí đồng thời
Có hai phương pháp để tiến hành quá trình ngưng tụ :
Quá trình ngưng tụ gián tiếp: (hay còn gọi là ngưng tụ bề mặt ) tức là quá trình tiến hành trong thiết bị trao đổi nhiệt có tường ngăn cách giữa khí và tác nhân làm lạnh đi ngược chiều nhau Tác nhân làm lạnh cho đi từ dưới lên để tránh dòng đối lưu tự nhiên cản trở quá trình chuyển động của lưu thể Khí đi từ trên xuống để chất lỏng ngưng tụ chảy dọc xuống tự do và dễ dàng
Quá trình ngưng tụ trực tiếp (hay còn gọi là ngưng tụ hỗn hợp) Quá trình này tiến hành bằng cách cho khí và tác nhân làm lạnh tiếp xúc trực tiếp với nhau Tác nhân làm lạnh được phun trực tiếp vào trong khí sau đó ngưng tụ lại thành lỏng do vậy thiết bị ngưng tụ trực tiếp thường không đặt giá trị phân chia cao Nên chất lỏng ngưng tụ sẽ trộn lẫn với tác nhân làm lạnh
1.1.2.Đặc điểm của quá trình ngưng tụ
Quá trình ngưng tụ nhiệt độ thấp có thể được coi là quá trình làm lạnh đẳng áp (nếu ta bỏ qua một vài tổn thất áp suất khi khí chuyển động trong ống và thiết bị công nghệ) cho tới nhiệt độ tương ứng và áp suất đó thì xuất hiện pha lỏng
Khí đồng hành và khí tự nhiên là một hỗn hợp bao gồm nhiều cấu từ
do đó quá trình chuyển pha và các vùng tới hạn của chúng khác nhau nhiều
so với quá trình tương ứng với điểm đó là nhiệt độ và áp suất tới hạn Khi
Trang 3nhiệt độ cao hơn so với nhiệt độ tới hạn thì chất đó sẽ tồn tại ở trạng thái một pha Khi đó dù có thay đổi của bất kì tổ hợp các thông số nào thì cũng không thể đưa chất đó về trạng thái hai pha được vì vậy muốn hóa lỏng khí
ta chỉ được phép tiến hành nhiêt độ tới hạn
Điều này có nghĩa là quá trình hóa lỏng một phần hay toàn bộ khí bằng phương pháp nén chỉ thực hiện được khi hạ nhiệt độ khí đó xuống dưới nhiệt độ tới hạn
1.1.3.Quá trình ngưng tụ nhiệt độ thấp trong chế biến khí đồng hành
Tiến hành chế biến khí bằng phương pháp ngưng tụ ở nhiệt độ thấp từ -25 0 C ….- 35 0 C áp suất cao 3,0 – 4,0 Mpa Đây được coi là phương pháp
có hiệu quả và kinh tế hơn cả để chế biến khí tự nhiên và khí đồng hành Khí đồng hành từ xí nghiệp khai thác dầu được nén bằng máy nén khí sau đó được làm lạnh và đưa vào thiết bị sấy khí để tách ẩm rồi được đưa qua thiết bị trao đổi nhiệt và làm nguội sau đó khí được đưa đến thiết bị ngưng tụ nhiệt độ thấp Tại đó , khí được nén và làm lạnh tới nhiệt độ âm cần thiết tiếp theo hỗn hợp khí được đưa sang bộ phân tách khí lúc này một phần hydrocacbon đã ngưng tụ được tách ra
Phần ngưng tụ (gọi là condesat) của bậc nén và làm lạnh.Khí đồng hành được bơm từ thùng chứa qua bộ phận trao đổi nhiệt sang cột tách etan Tại đó phân đoạn chứa metan và etan được tách ra Sau đó benzin lá phần ngưng tụ đã tách metan và etan qua thiết bị trao đổi nhiệt vào bình chứa, từ
đó nó được đưa đị chế biến tiếp
Phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp để tách bezin từ khí đồng hành là phương pháp rất tốn kém, để thực hiện được cần có thiết bị làm lạnh phức tạp Tuy nhiên do sơ đồ công nghệ tương đối đơn giản, mà hiệu quả tách
Trang 4benzin ra khỏi hỗn hợp khí khá cao, triệt để nên phương pháp này được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp chế biến khí
Sơ đồ công nghệ chế biến khí bằng phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp có thể được phân loại theo số bậc tách, kiểu nguồn làm lạnh, cách đưa sản phẩm ra Theo số bậc tách ta có sơ đồ tách bậc 1, bậc 2, bậc 3, tại mỗi bậc phải tháo pha lỏng ra Theo kiểu nguồn lạnh có thể có chu trình làm lạnh ngoiaf, chu trình làm lạnh trong , chu trình làm lạnh tổ hợp , trong đó nguồn lạnh bao gồm cả chu trình làm lạnh ngoài và chu trình làm lạnh trong Chu trình làm lạnh ngoài không phụ thuộc vào sơ đồ công nghệ có tác nhân làm lạnh đặc biệt tùy thuộc vào dạng tác nhân làm lạnh mà chu trình làm lạnh có thể được chia thành hai nhóm : nhóm có một tác nhân làm lạnh và nhóm có nhiều tác nhân làm lạnh ( trong đó thường là hỗn hợp các hydrocacbon nhẹ) Chu trình làm lạnh ngoài có ứng dụng hai hay nhiều tác nhân làm lạnh được gọi là chu trình làm lạnh bậc thang
Trong chu trình làm lạnh trong tác nhân làm lạnh chính là dòng khí đưa vào chế biến Chu trình làm lạnh trong có thể được chia làm hai nhóm:
Nhóm thứ nhât kết hợp với sự tiết lưu dòng chất lỏng , một phần lạnh nhận được do có sự tiết lưu condensate của bậc 1, và
2 hoặc tiết lưu phàn lỏng còn lại của tháp tách etan và tháp tách metan
Nhóm thứ hai có kết hợp với sự giãn nở khí Một phần lạnh và nhiệt độ thấp nhận được do quá trình giãn nở khí bằng tuabin
Về nguyên tắc có thể sử dụng sơ đồ trong đó toàn bộ lượng lạnh cần thiết cho quá trình nhận được do tiết lưu dòng lỏng condensate Tuy nhiên swo đồ
có bộ phận tiết lưu trong trường hợp này là không kinh tế và phức tạp Sử
Trang 5dụng tuabin giãn nở khí làm nguồn nhiệt duy nhất chỉ có trong trương hợp các khí được truyền dẫn với áp suất tương ứng
Trong hỗn hợp khí đồng hành có thành phần các hydrocacbon khác nhau như:CH4, C2H6…Do vậy tương ứng sẽ có các nhiệt độ ngưng tụ khác nhau, do đó quá trình làm lạnh sẽ xảy ra như sau:
+ Khi giảm nhiệt độ của hỗn hợp khí thì đến một lúc nào đó của hỗn hợp khí sẽ bắt đầu ngưng tụ (tương ứng với áp suất riêng phần trong hỗn hợp khí) lớn nhất Nếu như các cấu tử được phân bố đều trong hỗn hợp ban đầu Thì các cấu tử có nhiệt độ ngưng tụ lớn nhất sẽ ngưng tụ đầu tiên Khí hydrocacbon có đăc điểm quan trọng là: chúng hòa tan trong các hydrocacbon lỏng, do đó khi chuyển sang pha lỏng không chỉ có các cấu tử khác có nhiệt độ tới hạn thấp hơn cả nhiệt độ của hỗn hợp tại thời điểm đó
Ví dụ:
Hỗn hợp có 10% mol CH 4 có 90%mol C6H14 trong ống dẫn khí có thể ngưng tụ hoàn toàn khi làm lạnh đến 10oC với P = 2MPa Mặc dù nhiệt độ tới hạn của CH4 là Tc = -82,6oC Nhưng khi có mặt propan nó vẫn chuyển sang pha khí
Trong quá trình ngưng tụ nhiệt độ thấp , quá trình làm lạnh khí chỉ diễn
ra tới khi đạt được mức độ ngưng tụ định mức của pha hơi (trong hỗn hợp khí ban đầu) được xác định bằng mức độ tách cần thiết các cấu tử chủ yếu ra khỏi hỗn hợp Điều này đạt được nhờ nhiệt độ làm lạnh cuối cùng hoàn toàn xác định ( tức phụ thuộc vào thành phần của hỗn hợp, áp suất của hệ) Nhiệt độ này tạo được bằng cách cung cấp cho quá trình một lượng nhiệt lạnh cần thiết
Cùng một mức độ ngưng tụ ( của hỗn hợp khí ban đầu ) có thể đạt được bằng những tổ hợp các giá trị nhiệt độ và áp suất khác nhau Khi tăng áp
Trang 6suất trong hệ tức là tăng áp suất riêng phần của từng cấu tử, mức độ ngưng
tụ nhiệt độ không đổi sẽ tăng lên và quá trình này cũng sẽ xảy ra tương tự làm lạnh đẳng áp
Mức độ ngưng tụ các hydrocacbon khi tiến hành trong quá trình đẳng
áp và trong quá trình đẳng nhiệt Tuy nhiên, qúa trình ngưng tụ của hai trường hợp này lại khác nhau Cụ thể trường hợp đẳng nhiệt thì mức độ ngưng tụ tăng nhưng sự phân tách các cấu tử hydrocacbon kém Ngược lại đối với quá trình đẳng áp
Vậy: Việc lựa chọn các thông số tối ưu cho quá trình ngưng tụ nhiệt
độ thấp phụ thuộc vào thành phần ban đầu của hỗn hợp khí nguyên liệu, mức
độ phân tích cấu tử chính định trước là rất quan trọng
1.1.4.Các thiết bị chính có trong qúa trình chế biến bằng phương pháp ngưng
tụ nhiệt độ thấp
Nhìn chung sơ đồ công nghệ trong các quá trình chế biến khí theo phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp rất đa dạng và phong phú Theo mỗi một phương pháp thì ta có các thiết bị khác nhau Tuy nhiên , trên cơ bản thì tất cả các quy trình đều có những cụm thiết bị chính như sau:
Bộ phận lọc khí nó có tác dụng: để tách các giọt lỏng và những tạp chất cơ học Trước khi khí được đưa vào chế biến, thiết bị này hoạt động theo nguyên tắc như: cơ học , hóa học hay điện trường
Thiết bị sấy khí và tách ẩm: ở thiết bị này có tác dụng tách lượng ẩm
có trong khí Nguyên nhân hơi nước có thể bị ngưng tụ lại trong các
hệ thống thiết bị công nghệ chế biến khí sau này.Thiết bị này có thể hoạt động theo nguyên tắc như: hấp thụ, hấp phụ…
Hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt tuần hoàn: Thiết bị này có tác dụng tận dụng được các nguồn nhiệt lạnh, nhiệt nóng của các dòng sản
Trang 7phẩm Thiết bị này có thể hoạt động theo: loại gián tiếp, trực tiếp hay loại đệm
Thiết bị phân ly hỗn hợp hai pha Dựa vào sự khác nhau về tỉ trọng của các chất mà ta dễ dàng tách chúng ra được với nhau từ hỗn hợp ban dầu
Tháp tách etan Sử dụng chủ yếu là các tháp chưng luyện như tháp đĩa chóp, tháp đệm…
Nếu như sơ đồ Ngưng tụ nhiệt độ thấp (NNT) được dùng với mục đích thu được C2 và phân đoạn cao thì sau tháp khử metan ta có thêm tháp tách etan (C2H6) thương phẩm Trong sơ đồ NNT có cụm thiết bị gồm: nguồn nhiệt lạnh, máy phân ly tạo nên một bậc phân ly
1.1.5.Sơ đồ NNT hai bậc để nhậnC3 có chu trình làm lạnh tổ hợp (chu trình làm lạnh ngoài bằng propan ,tiết lưu dòng chất lỏng và tuabin giãn nở khí)
Trang 812 13
hoi mu?c 4.0 MPa, -30°C
1.7 MPa, 20°C
1.8 MPa, -78°C
13
69°C
nu?c ngung 4.0 MPa
III
4.0 MPa
3.7 MPa, -51°C
-51°C
7
9
II
I
18
1, 3,5 Bộ phận bay hơI propan; 2,4,9,14 Bộ phận trao đổi nhiệt; 6,8 Trao đổi nhiệt không khí; 7,12 máy nén; 10,11 Tháp tách; 13 Tua bin giãn nở khí; 15
Bộ phận tiết lưư; 16 Tháp tách etan; 17 Bộ phận gia nhiệt; 18 Van xả khí
I Khí nguyên liệu; II Khí khô; III Phân đoạn hydrocacbon nặng
Trang 9Thuyết minh sơ đồ dây chuyền công nghệ:
Khí nguyên liệu được nén đến 4,0MPa sau khi đã làm sạch khỏi
CO2và sấy bằng chất hấp phụ rắn, được đưa vào công đoạn ngưng tụ nhiệt độ thấp Một phần khí đi vào các thiết bị bay hơi 1,3,5 và các thiết
bị trao đổi nhiệt 2,4 tại đây khí được làm lạnh đến -30oC, được trộn lẫn với một phần khí đã được làm lạnh đến -30oC nhiệt độ đó bằng condensate từ tháp tách 10 Condensat từ tháp tách 10 được tiết lưu đến
áp suất 1,7 MPa và sau khi truyền lạnh có nhiệt độ 20oC được dẫn tới tháp tách etan 16
Từ tháp tách 10 khí sau khi được làm lạnh bởi khí khô đi ra từ đỉnh tháp tách etan 16 đạt nhiệt độ -51oC được dẫn vào tháp tách nhiệt độ thấp
11, tại đây khí được tách ra khỏi condensate và có nhiệt độ thấp 11 được dẫn qua van tiết lưu 15, áp suất của khí giảm đến 18MPa, khi đó một phần khí bị ngưng tụ, đựơc làm lạnh đến-78oC Khí cùng với condensate
từ tuabin 13 được dẫn đến phần trên của tháp tách etan 16
Phân đoạn chứa các hydrocacbon nặng đã tách etan từ đáy tháp tách etan 16 có nhiệt độ 69 oC được dẫn đI chế biến tiếp khí khô từ tháp tách etan 16 sau khi truyền lạnh được nén trong máy nén 12 đến 2.0 Mpa nhờ có năng lượng từ tuabin 13 và tiếp tục được nén đến áp suất 4,0Mpa nhờ máy nén 7 Như vậy trong sơ đồ vừa xét trên, chu trình giãn nở khí được kết hợp với chu trình làm lạnh bằng etan
Phạm vi ứng dụng của sơ đồ công nghệ: Với việc sử dụng tuôcbin làm lạnh trong sơ đồ ngưng tụ nhiệt độ tháp để chế biến khí và thu được sản phẩm có phân đoạn từC3 trở lên Với hàm lượng C3 trong khí đồng hành 300g/m 3và hệ số tách cấu tử chính 90% propan
Trang 101.2.Phân tích quá trình công nghệ với tư cách là đối tượng tự động điều chỉnh
Sơ đồ cấu trúc của hệ điều khiển tự động:
Y Z
X
ε µ
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
Dưới tác động của nhiễu Z hoặc tác động đầu vào X thay đổi, làm cho thông số công nghệ Y thay đổi, hay giá trị đo được YPV thay đổi, dẫn đến giá trị sai lệch ồ 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 vào sai lệch làm cho thông số công nghệ Y trở lại bình thường
Yêu cầu điều khiển:
Trong sơ đồ trên thí đối tượng tự động hoá cần quan tâm là tháp tách etan – là nơi diễn ra quá trình tách khí khô (hàm lượng propan 50g/m3) ra khỏi hỗn hợp hydrocacbon nặng
Các thông số điều chỉnh trong quá trình là: lưu lượng dòng khí vào, lưu lượng dòng lỏng hồi lưu tại đáy tháp, nhiệt độ trong tháp, và
áp suất trong tháp
Các thông số nhiễu chủ yếu là chất lượng nguyên liệu, sụ cố đường ống thiết bị…
Trang 11 Các tác động điều chỉnh của tháp tách chủ yếu là lưu lượng dòng nguyên liệu, nhiệt độ tháp
Do vậy 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 1.2.1.Nhiệt độ
Nhiệt độ trong tháp là một thông số cực kì quan trọng nó quyết định đến hiệu quả tách etan và chất lượng của sản phẩm Tại tháp tách etan 16 có 3 đầu vào với các nhiệt độ rất khác xa nhau vì vậy cần phải kiểm soát chặt chẽ nhiệt độ trong tháp
Condensat từ tháp tách 10 được tiết lưu đến áp suất 1.7 Mpa và sau khi truyền lạnh có nhiệt độ 20 oC
Condensat từ tháp tách 11 được tiết lưu đến áp suất 2.8 Mpa và sau khi truyền lạnh có nhiệt độ -51 oC
Khí cùng Condensat từ tuabin 13 có áp suất 1.8Mpa và nhiệt độ
-78 oC
Nhiệt độ trung bình ở đáy tháp khoảng 69 oC, ở trên đỉnh tháp -82
oC như vậy để điều chỉnh nhiệt độ của tháp ta có thể lắp bộ điều chỉnh nhiệt độ tác động lên độ đóng hoặc mở của van đưa dòng lưu chất để gia nhiệt cho dòng hồi lưu đáy Và tác động lên độ mở hoặc độ đóng của van dẫn dòng propan ở các thiết bị bay hơi propan 1,3,5
Miền giá trị đặt để so sánh ở đoạn chưng (Ysv) là 60 0C - 75 0C Nếu giá trị thực đo được thấp hơn ngưỡng dưới của giá trị đặt (Ysvd =
600C) thì phải đưa ra tác động điều chỉnh mở van dẫn dòng lưu chất vào ở thiết bị gia nhiệt 17 để gia nhiệt cho dòng hồi lưu đáy nâng nhiệt độ của tháp Ngược lại giá trị thực đo được cao hơn ngưỡng trên của giá trị đặt (Ysvd = 750C) thì phải đưa ra tác động điều chỉnh độ mở của van dẫn dòng lưu chất vào gia nhiệt cho dòng hồi lưu đáy để hạ nhiệt độ của tháp