Thi t k h th ng trao đ i nhi t b ng ph ết kế hệ thống trao đổi nhiệt bằng phương pháp Pinch ết kế hệ thống trao đổi nhiệt bằng phương pháp Pinch ệm và nguyên tắc của kỹ thuật Pinch ống t
Trang 1L I C M N ỜI CẢM ƠN ẢM ƠN ƠN
Đồ án tốt nghiệp được xem như là một bước để kiểm tra, đánh giá khả năngcủa sinh viên trước khi tốt nghiệp Quá trình làm Đồ án tốt nghiệp đòi hỏi mỗi sinhviên phải độc lập, chủ động tìm kiếm tài liệu, hệ thống lại kiến thức liên quan.Nhưng để hoàn thành Đồ án đúng thời gian và đầy đủ mọi nhiệm vụ thì rất cần sựgiúp đỡ hướng dẫn của các thầy cô giáo Thật vậy, trong quá trình làm Đồ án tôi đãnhận được rất nhiều sự giúp đỡ Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cô
TS Đặng Kim Hoàng, cô là giảng viên trực tiếp hướng dẫn tôi hoàn thành Đồ ánnày, bên cạnh đó trong thời gian làm Đồ án cô luôn tận tình giúp đỡ tôi Tôi cũngxin gửi lời cám ơn đến tập thể quý thầy cô giáo trong khoa Hóa đã giúp tôi cónhững kiến thức nền cơ bản về các quá trình trong công nghiệp Hóa học và đặc biệt
là các thầy cô giáo trong bộ môn Công nghệ Hóa học - Dầu và khí đã giúp tôi nắmvững các kiến thức chuyên ngành phục vụ cho công việc trong tương lai
Một lần nữa tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành nhất!
Trang 2
TÓM T T Đ ÁN ẮT ĐỒ ÁN Ồ ÁN
Năng lượng là một chủ đề rất nóng hiện nay Hiện tại, nó không chỉ mang tínhkinh tế của một nhà máy, một vùng lãnh thổ, một quốc gia mà còn mang cả màu sắcđịa vị chính trị Việc tranh giành các nguồn năng lượng kéo theo nhiều cuộc xung độtgiữa các công ty, các quốc gia Vì vậy giải quyết năng lượng là một yêu cầu cấp thiếtcho sự phát triển bền vững Tại Việt Nam, đề án tái cấu trúc nền kinh tế, ưu tiên pháttriển bền vững đã được Quốc hội thông qua năm 2012, cho thấy định hướng lâu dàicho sự phát triển của các ngành công nghiệp của đất nước Đó là trên phạm vi rộng,trong phạm vi hẹp thì sao? Một nhà máy đưa vào hoạt động liệu nó đã được tối ưunăng lượng hay chưa? Nếu đã được tối ưu thì bao nhiêu năng lượng đã được tiết kiệm?Còn nếu chưa được tối ưu thì liệu có thể cải thiện được hiệu quả năng lượng của nóhay không? Với một nhà máy như nhà máy lọc hóa dầu thì vấn đề này lại càng có ýnghĩa Việc đánh giá hiệu quả thu hồi nhiệt của nó cho phép ta xem xét và đưa ra cácgiải pháp cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng, giảm chi phí sản xuất nâng cao tínhcạnh tranh sản phẩm, giảm phát thải đảm bảo các tiêu chuẩn của môi trường
Kỹ thuật Pinch là phương pháp có cấu trúc chặt chẽ trong phân tích, đánh giáhiệu quả hệ thống thu hồi nhiệt nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng một cáchtoàn diện Từ đó giảm chi phí tổng cho nhà máy, giảm được thời gian và nguồn lựccho quá trình thiết kế Trong đồ án này, chúng tôi tìm hiểu về lý thuyết kỹ thuật Pinch
và áp dụng vào phân tích hệ thống thu hồi nhiệt cụm thiết bị phân tách sản phẩm phân xưởng Cracking xúc tác cặn của nhà máy lọc dầu Bình Sơn - Dung Quất Sau khi
sử dụng phần mềm Aspen HYSYS để mô phỏng lại cụm thiết bị phân tách sản phẩm phân xưởng Cracking xúc tác, chúng tôi tiến hành phân tích đánh giá hiệu quả thu hồinhiệt nhờ phần mềm Aspen Energy Analyzer, chúng tôi đã đưa ra được một số giá trịtính toán kinh tế và kỹ thuật của hệ thống trao đổi nhiệt hiện tại, đồng thời đề xuất cácgiải pháp cải thiện hệ thống và các giải pháp này đều mang lại hiệu quả so với thiết kếban đầu
Trang 3-M C L C ỤC LỤC ỤC LỤC
L I C M NỜI CẢM ƠN ẢM ƠN ƠN 1
TÓM T T Đ ÁNẮT ĐỒ ÁN Ồ ÁN 2
M C L CỤC LỤC ỤC LỤC 3
DANH M C B NG BI UỤC LỤC ẢM ƠN ỂU 5
DANH M C HÌNH VẼỤC LỤC 7
DANH SÁCH CÁC T VI T T TỪ VIẾT TẮT ẾT TẮT ẮT ĐỒ ÁN 9
L I NÓI Đ UỜI CẢM ƠN ẦU 11
CHƯƠN NG 1 : T NG QUAN V KỸ THU T PINCHỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT PINCH Ề KỸ THUẬT PINCH ẬT PINCH 13
1.1 Khái ni m và nguyên t c c a kỹ thu t Pinch ệm và nguyên tắc của kỹ thuật Pinch ắc của kỹ thuật Pinch ủa kỹ thuật Pinch ật Pinch 13
1.1.1 Khái ni m kỹ thu t Pinchệm kỹ thuật Pinch ật Pinch 13
1.1.2 Xây d ng gi n đ đựng giản đồ đường cong tổ hợp ản đồ đường cong tổ hợp ồ đường cong tổ hợp ường cong tổ hợpng cong t h pổ hợp ợp 13
1.1.3 Khái ni m DTmin và đi m Pinchệm kỹ thuật Pinch ểm Pinch 15
1.1.4 Nguyên t c Pinchắc Pinch 17
1.2 Khai thác d li u t s đ công ngh đ áp d ng vào kỹ thu t Pinch ữ liệu từ sơ đồ công nghệ để áp dụng vào kỹ thuật Pinch ệm và nguyên tắc của kỹ thuật Pinch ừ sơ đồ công nghệ để áp dụng vào kỹ thuật Pinch ơ đồ công nghệ để áp dụng vào kỹ thuật Pinch ồ công nghệ để áp dụng vào kỹ thuật Pinch ệm và nguyên tắc của kỹ thuật Pinch ể áp dụng vào kỹ thuật Pinch ụng vào kỹ thuật Pinch ật Pinch 18
1.2.1 Ví d m đ uụ mở đầu ở đầu ầu 18
1.2.2 Nguyên t c khai thác d li u t s đ công nghắc Pinch ữ liệu từ sơ đồ công nghệ ệm kỹ thuật Pinch ừ sơ đồ công nghệ ơ đồ công nghệ ồ đường cong tổ hợp ệm kỹ thuật Pinch 22
1.3 S d ng nhi u tác nhân cho quá trình đun nóng và làm l nh ử dụng nhiều tác nhân cho quá trình đun nóng và làm lạnh ụng vào kỹ thuật Pinch ều tác nhân cho quá trình đun nóng và làm lạnh ạnh 29
1.3.1 Bi u di n trên gi n đ đểm Pinch ễn trên giản đồ đường cong tổ hợp ản đồ đường cong tổ hợp ồ đường cong tổ hợp ường cong tổ hợpng cong t h pổ hợp ợp 29
1.3.2 Bi u di n trên gi n đ đểm Pinch ễn trên giản đồ đường cong tổ hợp ản đồ đường cong tổ hợp ồ đường cong tổ hợp ường cong tổ hợpng t h p Grandổ hợp ợp 30
1.4 Cân b ng gi a chi phí năng l ằng giữa chi phí năng lượng và đầu tư ban đầu ữ liệu từ sơ đồ công nghệ để áp dụng vào kỹ thuật Pinch ượng và đầu tư ban đầu ng và đ u t ban đ u ầu tư ban đầu ư ầu tư ban đầu 32
1.4.1 Quá trình thi t k m i m ng lết kế mới mạng lưới trao đổi nhiệt ết kế mới mạng lưới trao đổi nhiệt ới mạng lưới trao đổi nhiệt ạng lưới trao đổi nhiệt ưới mạng lưới trao đổi nhiệti trao đ i nhi tổ hợp ệm kỹ thuật Pinch 33
1.4.2 Thi t k c i ti n m ng lết kế mới mạng lưới trao đổi nhiệt ết kế mới mạng lưới trao đổi nhiệt ản đồ đường cong tổ hợp ết kế mới mạng lưới trao đổi nhiệt ạng lưới trao đổi nhiệt ưới mạng lưới trao đổi nhiệti trao đ i nhi tổ hợp ệm kỹ thuật Pinch 37
1.5 Thi t k h th ng trao đ i nhi t b ng ph ết kế hệ thống trao đổi nhiệt bằng phương pháp Pinch ết kế hệ thống trao đổi nhiệt bằng phương pháp Pinch ệm và nguyên tắc của kỹ thuật Pinch ống trao đổi nhiệt bằng phương pháp Pinch ổi nhiệt bằng phương pháp Pinch ệm và nguyên tắc của kỹ thuật Pinch ằng giữa chi phí năng lượng và đầu tư ban đầu ươ đồ công nghệ để áp dụng vào kỹ thuật Pinch ng pháp Pinch 40
1.5.1 M t s khái ni m c b nột số khái niệm cơ bản ố khái niệm cơ bản ệm kỹ thuật Pinch ơ đồ công nghệ ản đồ đường cong tổ hợp 40
1.5.2 Thi t k h th ng trao đ i nhi tết kế mới mạng lưới trao đổi nhiệt ết kế mới mạng lưới trao đổi nhiệt ệm kỹ thuật Pinch ố khái niệm cơ bản ổ hợp ệm kỹ thuật Pinch 41
CHƯƠN NG 2 : GI I THI U V PHÂN XỚI THIỆU VỀ PHÂN XƯỞNG-CỤM THIẾT BỊ VÀ PHẦN MỀM MÔ ỆU VỀ PHÂN XƯỞNG-CỤM THIẾT BỊ VÀ PHẦN MỀM MÔ Ề KỸ THUẬT PINCH ƯỞNG-CỤM THIẾT BỊ VÀ PHẦN MỀM MÔNG-C M THI T B VÀ PH N M M MÔỤC LỤC ẾT TẮT Ị VÀ PHẦN MỀM MÔ ẦU Ề KỸ THUẬT PINCH PH NG - PH N M M PHÂN TÍCH NHI TỎNG - PHẦN MỀM PHÂN TÍCH NHIỆT ẦU Ề KỸ THUẬT PINCH ỆU VỀ PHÂN XƯỞNG-CỤM THIẾT BỊ VÀ PHẦN MỀM MÔ 43
2.1 Gi i thi u v phân x ới thiệu về phân xưởng và cụm thiết bị ệm và nguyên tắc của kỹ thuật Pinch ều tác nhân cho quá trình đun nóng và làm lạnh ưởng và cụm thiết bị ng và c m thi t b ụng vào kỹ thuật Pinch ết kế hệ thống trao đổi nhiệt bằng phương pháp Pinch ị 43
2.2 Gi i thi u ph n m m mô ph ng và phân tích nhi t chuyên d ng ới thiệu về phân xưởng và cụm thiết bị ệm và nguyên tắc của kỹ thuật Pinch ầu tư ban đầu ều tác nhân cho quá trình đun nóng và làm lạnh ỏng và phân tích nhiệt chuyên dụng ệm và nguyên tắc của kỹ thuật Pinch ụng vào kỹ thuật Pinch 45
Trang 42.2.1 Gi i thi u v ph n m m mô ph ng Aspen HYSYSới mạng lưới trao đổi nhiệt ệm kỹ thuật Pinch ề phần mềm mô phỏng Aspen HYSYS ầu ề phần mềm mô phỏng Aspen HYSYS ỏng Aspen HYSYS 45
2.2.2 Gi i thi u ph n m m phân tích nhi t Aspen Energy Analyzerới mạng lưới trao đổi nhiệt ệm kỹ thuật Pinch ầu ề phần mềm mô phỏng Aspen HYSYS ệm kỹ thuật Pinch 46
2.3 Các b ưới thiệu về phân xưởng và cụm thiết bị c phân tích đánh giá hi u qu thu h i nhi t ệm và nguyên tắc của kỹ thuật Pinch ả thu hồi nhiệt ồ công nghệ để áp dụng vào kỹ thuật Pinch ệm và nguyên tắc của kỹ thuật Pinch 47
CHƯƠN NG 3 : KH O SÁT C M THI T B V I CH Đ V N HÀNH D U B CH ẢM ƠN ỤC LỤC ẾT TẮT Ị VÀ PHẦN MỀM MÔ ỚI THIỆU VỀ PHÂN XƯỞNG-CỤM THIẾT BỊ VÀ PHẦN MỀM MÔ ẾT TẮT Ộ VẬN HÀNH DẦU BẠCH ẬT PINCH ẦU ẠCH H - T I ĐA XĂNGỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT PINCH ỐI ĐA XĂNG 48
3.1 Mô ph ng c m thi t b trên ph n m m Aspen HYSYS ỏng và phân tích nhiệt chuyên dụng ụng vào kỹ thuật Pinch ết kế hệ thống trao đổi nhiệt bằng phương pháp Pinch ị ầu tư ban đầu ều tác nhân cho quá trình đun nóng và làm lạnh 48
3.2 Ki m tra và đánh giá k t qu mô ph ng c m thi t b tách ể áp dụng vào kỹ thuật Pinch ết kế hệ thống trao đổi nhiệt bằng phương pháp Pinch ả thu hồi nhiệt ỏng và phân tích nhiệt chuyên dụng ụng vào kỹ thuật Pinch ết kế hệ thống trao đổi nhiệt bằng phương pháp Pinch ị 56
3.3 Mô ph ng h th ng thu h i nhi t và s n xu t ph tr ỏng và phân tích nhiệt chuyên dụng ệm và nguyên tắc của kỹ thuật Pinch ống trao đổi nhiệt bằng phương pháp Pinch ồ công nghệ để áp dụng vào kỹ thuật Pinch ệm và nguyên tắc của kỹ thuật Pinch ả thu hồi nhiệt ất phụ trợ ụng vào kỹ thuật Pinch ợng và đầu tư ban đầu 58
3.4 Trích xu t d li u t Aspen HYSYS sang file Aspen Energy Analyzer ất phụ trợ ữ liệu từ sơ đồ công nghệ để áp dụng vào kỹ thuật Pinch ệm và nguyên tắc của kỹ thuật Pinch ừ sơ đồ công nghệ để áp dụng vào kỹ thuật Pinch 62
3.5 Đánh giá hi u qu thu h i nhi t h th ng hi n t i ệm và nguyên tắc của kỹ thuật Pinch ả thu hồi nhiệt ồ công nghệ để áp dụng vào kỹ thuật Pinch ệm và nguyên tắc của kỹ thuật Pinch ệm và nguyên tắc của kỹ thuật Pinch ống trao đổi nhiệt bằng phương pháp Pinch ệm và nguyên tắc của kỹ thuật Pinch ạnh 65
3.6 Đ xu t các gi i pháp c i ti n và đánh giá ều tác nhân cho quá trình đun nóng và làm lạnh ất phụ trợ ả thu hồi nhiệt ả thu hồi nhiệt ết kế hệ thống trao đổi nhiệt bằng phương pháp Pinch 66
CHƯƠN NG 4 : KH O SÁT C M THI T B V I CH Đ V N HÀNH D U B CH ẢM ƠN ỤC LỤC ẾT TẮT Ị VÀ PHẦN MỀM MÔ ỚI THIỆU VỀ PHÂN XƯỞNG-CỤM THIẾT BỊ VÀ PHẦN MỀM MÔ ẾT TẮT Ộ VẬN HÀNH DẦU BẠCH ẬT PINCH ẦU ẠCH H - T I ĐA DIESELỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT PINCH ỐI ĐA XĂNG 70
4.1 So sánh s khác nhau hai ch đ v n hành ự khác nhau ở hai chế độ vận hành ởng và cụm thiết bị ết kế hệ thống trao đổi nhiệt bằng phương pháp Pinch ộ vận hành ật Pinch 70
4.2 Mô ph ng c m thi t b trên ph n m m Aspen HYSYS ỏng và phân tích nhiệt chuyên dụng ụng vào kỹ thuật Pinch ết kế hệ thống trao đổi nhiệt bằng phương pháp Pinch ị ầu tư ban đầu ều tác nhân cho quá trình đun nóng và làm lạnh 70
4.3 Ki m ta và đánh giá k t qu mô ph ng ể áp dụng vào kỹ thuật Pinch ết kế hệ thống trao đổi nhiệt bằng phương pháp Pinch ả thu hồi nhiệt ỏng và phân tích nhiệt chuyên dụng 74
4.4 Xây d ng h th ng thu h i nhi t c a c m thi t b ự khác nhau ở hai chế độ vận hành ệm và nguyên tắc của kỹ thuật Pinch ống trao đổi nhiệt bằng phương pháp Pinch ồ công nghệ để áp dụng vào kỹ thuật Pinch ệm và nguyên tắc của kỹ thuật Pinch ủa kỹ thuật Pinch ụng vào kỹ thuật Pinch ết kế hệ thống trao đổi nhiệt bằng phương pháp Pinch ị 74
4.5 Trích xu t d li u và đánh giá hi u qu h th ng hi n t i ất phụ trợ ữ liệu từ sơ đồ công nghệ để áp dụng vào kỹ thuật Pinch ệm và nguyên tắc của kỹ thuật Pinch ệm và nguyên tắc của kỹ thuật Pinch ả thu hồi nhiệt ệm và nguyên tắc của kỹ thuật Pinch ống trao đổi nhiệt bằng phương pháp Pinch ệm và nguyên tắc của kỹ thuật Pinch ạnh 78
4.6 Đ xu t các gi i pháp c i thi n và đánh giá ều tác nhân cho quá trình đun nóng và làm lạnh ất phụ trợ ả thu hồi nhiệt ả thu hồi nhiệt ệm và nguyên tắc của kỹ thuật Pinch 79
NH N XÉTẬT PINCH 81
K T LU NẾT TẮT ẬT PINCH 82
TÀI LI U THAM KH OỆU VỀ PHÂN XƯỞNG-CỤM THIẾT BỊ VÀ PHẦN MỀM MÔ ẢM ƠN 84
Trang 5DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Một số giá trị DTmin thực nghiệm theo Linnhoff March 15
Bảng 1.2: DTmin ứng với các nguồn phụ trợ khác nhau 17
Bảng 1.3: Các số liệu từ sơ đồ công nghệ 20
Bảng 1.4: Dữ liệu nhiệt của dòng nóng 20
Bảng 1.5: Dữ liệu nhiệt của dòng lạnh 21
Bảng 1.6: Các hệ số a, b, c 35
Bảng 1.7: Một số giá trị DTmin sử dụng cho thiết kế cải tiến trong nhà máy lọc dầu 40 Bảng 2.1: Dòng sản phẩm từ cụm phân tách 44
Bảng 3.1: Cấu hình thực tế tháp chưng cất chính 48
Bảng 3.2: Vị trí của các dòng công nghệ trong cấu hình thực tế 49
Bảng 3.3: Danh sách các cấu tử và thành phần dòng nguyên liệu vào tháp 50
Bảng 3.4: Thông số của dòng CDU – Gas và dòng NHT – Gas 52
Bảng 3.5: Danh sách các cấu tử và thành phần dòng cặn chưng cất khí quyển 52
Bảng 3.6: Thông số của dòng Rich Oil 53
Bảng 3.7: Thông số dòng hơi nước Stripper 53
Bảng 3.8: Cấu hình tháp sử dụng trong mô phỏng 53
Bảng 3.9: Vị trí dòng công nghệ trong mô phỏng tháp 54
Bảng 3.10: Dòng cần cấp số liệu ước lượng trước khi tính hội tụ tháp 55
Bảng 3.11: Tiêu chuẩn hội tụ tháp 56
Bảng 3.12: Đánh giá sai số của quá trình mô phỏng với chế độ dầu Bạch Hổ 56
Bảng 3.13: Ví trí các thiết bị trao đổi nhiệt trong cụm thiết bị 58
Bảng 3.14: Thông số của hệ thống thu hồi nhiệt chế độ dầu Bạch Hổ 60
Bảng 3.15: Mục đích thu hồi nhiệt của cụm thiết bị với chế độ dầu Bạch Hổ 61
Bảng 3.16: Kết quả đánh giá của hệ thống trao đổi nhiệt vận hành dầu Bạch Hổ 65
Trang 6Bảng 3.17: Điểm Pinch của hệ thống với chế độ vận hành dầu Bạch Hổ 65
Bảng 3.18: Chi phí các thiết kế thay đổi của HEN vận hành với dầu Bạch Hổ 68
Bảng 4.1: Danh sách các cấu tử và thành phần của dòng nguyên liệu 70
Bảng 4.2: Thông số của dòng CDU – Gas và dòng NHT – Gas 72
Bảng 4.3: Danh sách các cấu tử và thành phần dòng cặn chưng cất khí quyển 72
Bảng 4.4: Thông số dòng Rich Oil 73
Bảng 4.5: Thông số dòng hơi nước Stripper 73
Bảng 4.6: Tiêu chuẩn hội tụ tháp với chế độ vận hành tối đa Diesel 74
Bảng 4.7: Đánh giá sai số của quá trình mô phỏng với chế độ tối đa Diesel 74
Bảng 4.8: Thông số hệ thống thu hồi nhiệt với chế độ dầu Bạch Hổ - tối đa Diesel 74
Bảng 4.9: Mục đích thu hồi nhiệt của chế độ vận hành tối đa xăng và tối đa Diesel .77
Bảng 4.10: Kết quả đánh giá của hệ thống trao đổi nhiệt vận hành tối đa Diesel 78
Bảng 4.11: Điểm Pinch của hệ thống với chế độ vận hành tối đa Diesel 79
Bảng 4.12: Chi phí các thiết kế thay đổi của HEN chế độ vận hành tối đa Diesel 80
Trang 7DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Giản đồ đường cong tổ hợp 14
Hình 1.2: Bề mặt trao đổi nhiệt và lượng nhiệt cung cấp của quá trình 14
Hình 1.3: Quan hệ giữa DTmin và chi phí 16
Hình 1.4: Những trường hợp vi phạm quy tắc Pinch 18
Hình 1.5: Sơ đồ công nghệ ví dụ 19
Hình 1.6: Sơ đồ công nghệ ví dụ đơn giản 19
Hình 1.7: Đường cong tổ hợp nóng 21
Hình 1.8: Đường cong tổ hợp lạnh 21
Hình 1.9: Giản đồ đường cong tổ hợp 22
Hình 1.10: Ví dụ về khai thác dữ liệu từ sơ đồ công nghệ 23
Hình 1.11: Khai thác dữ liệu từ sơ đồ gốc và thiết kế HEN 24
Hình 1.12: Phương pháp khai thác dữ liệu áp dụng cho kỹ thuật Pinch 25
Hình 1.13 a&b: Thiết bị trao đổi nhiệt giả định 25
Hình 1.13c: Tổ hợp 2 dòng công nghệ có cùng nhiệt độ cuối 26
Hình 1.13d: Mô hình đúng khi tổ hợp các dòng công nghệ trong kỹ thuật Pinch 26
Hình 1.14: Nhiệt độ hiệu quả 27
Hình 1.15: Đường tổ hợp trích xuất và đường tổ hợp thực 28
Hình 1.16: Sử dụng nhiều tác nhân đun nóng 30
Hình 1.17: Giản đồ đường cong dịch chuyển 30
Hình 1.18: Lượng nước làm mát và hơi cần cung cấp 31
Hình 1.19: Giản đồ Grand và điểm Pinch 32
Hình 1.20: Bề mặt truyền nhiệt của hệ thống 34
Hình 1.21: Chi phí của mạng lưới trao đổi nhiệt 36
Hình 1.22: Cân bằng năng lượng và diện tích cho thiết kế lại 37
Trang 8Hình 1.23: Thiết kế cải tiến dựa trên sự thay đổi DTmin 38
Hình 1.24: Ảnh hưởng của hình dạng đường tổ hợp lên giá trị DTmin tối ưu 39
Hình 1.25: Các bước tiến hành thiết kế hệ thống trao đổi nhiệt bằng phương pháp Pinch 42
Hình 1.26: Sơ đồ lưới trong phương pháp thiết kế Pinch 42
Hình 2.1: Phần mềm Aspen HYSYS 45
Hình 2.2: Phần mềm Aspen Energy Analyzer 46
Hình 3.1: PFD chính trong file mô phỏng 57
Hình 3.2: Hệ thống bơm tuần hoàn 2 57
Hình 3.3: Sơ đồ PFD mô phỏng hệ thống thu hồi nhiệt 59
Hình 3.4: Các bước tiến hành trích xuất dữ liệu 62
Hình 3.5: Chọn tạo một HI Case mới 62
Hình 3.6: Chọn trích xuất dữ liệu trực tiếp từ Aspen HYSYS 63
Hình 3.7: Các bước cài đặt tùy chỉnh về phụ trợ và kinh tế 63
Hình 3.8: Kết quả sau khi kết thúc quá trình trích xuất dữ liệu 64
Hình 3.9: Một phần của sơ đồ lưới hệ thống trao đổi nhiệt 64
Hình 3.10: Đường cong tổ hợp với chế độ dầu Bạch Hổ-tối đa xăng 65
Hình 3.11: Chọn bổ sung sản xuất phụ trợ hơi nước áp suất thấp 67
Hình 3.12: Các thay đổi thiết bị được tiến hành trên sơ đồ lưới 67
Hình 3.13: HI Project với các thiết kế khác nhau chế độ dầu Bạch Hổ 68
Hình 4.1: Sơ đồ PFD hệ thống thu hồi nhiệt với chế độ dầu Bạch Hổ - tối đa Diesel 77
Hình 4.2: Đường cong tổ hợp với chế độ vận hành tối đa Diesel 78
Hình 4.3: HI Project và các thiết kế với chế độ vận hành tối đa Diesel 79
Trang 9DANH SÁCH CÁC T VI T T T Ừ VIẾT TẮT ẾT TẮT ẮT ĐỒ ÁN
(Column Grand Composite Curve)
Nu,min Số lượng thiết bị trao đổi nhiệt tối thiểu
Trang 10QH (h), Qh,u Lượng nhiệt cấp thêm vào quá trình KW
BFW Boiler Feed Water
TBTĐN Thiết bị trao đổi nhiệt
Trang 11L I NÓI Đ U ỜI CẢM ƠN ẦU
Các quá trình trong công nghệ hóa học như: Chưng cất, phản ứng hóa học, tríchly,…cần phải được cung cấp một lượng năng lượng cần thiết để quá trình xảy ra đạthiệu quả và đảm bảo thu được các sản phẩm có chất lượng tốt đáp ứng nhu cầu thịtrường Dòng sản phẩm ra khỏi các thiết bị của quá trình thường có nhiệt độ cao và cầnđược làm lạnh để đưa vào kho lưu trữ trước khi đưa đi phân phối đến nơi tiêu thụ Tất
cả chi phí cho quá trình đun nóng và làm lạnh đều được tính vào giá thành của mộtđơn vị sản phẩm Vì vậy, nếu chi phí cho quá trình đun nóng và làm nguội đắt tiền thìsản phẩm bán ra thị trường có giá cao, tính cạnh tranh thấp Do đó, tiết kiệm nănglượng tiêu thụ là một vấn đề rất quan trọng có ảnh hưởng lớn đến lợi nhuận và sự tồntại của nhà máy Để làm được việc này, chúng ta cần phải thiết kê hệ thống trao đổinhiệt để tận dụng nhiệt của các dòng nóng để gia nhiệt nguyên liệu làm giảm chi phícho quá trình đun nóng và làm nguội
Hiện nay, một kỹ thuật đã và đang được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp đểtối ưu hệ thống thu hồi năng lượng, tận dụng tối đa lượng nhiệt có thể thu hồi được từquá trình qua đó làm giảm chi phí cho quá trình đun nóng và làm lạnh, tiến đến làmgiảm chi phí tổng của quá trình, đó là kỹ thuật Pinch Kỹ thuật này được xây dựng dựatrên lý thuyết của Linnhoff March Và cũng chính vì sự phát triển sản xuất và những
ưu điểm của kỹ thuật này mà đã có nhiều phần mềm được xây dựng nhằm đơn giảnhóa việc áp dụng kỹ thuật Pinch, một trong những phần mềm đó là Aspen EnergyAnalyzer
Đề tài của tôi là: “Mô phỏng và đánh giá hiệu quả hệ thống thu hồi nhiệt của
cụm phân tách sản phẩm - phân xưởng Cracking xúc tác cặn tại nhà máy lọc dầu Bình Sơn - Dung Quất ở 2 chế độ vận hành dầu Bạch Hổ - tối đa xăng và dầu Bạch
Hổ - tối đa Diesel”, trên cơ sở kiến thức cơ bản của kỹ thuật Pinch, ứng dụng phần
mềm Aspen HYSYS, Aspen Energy Analyzer
Đồ án bao gồm 4 phần chính:
học
Trang 12 Sử dụng phần mềm Aspen HYSYS để mô phỏng cụm phân tách sảnphẩm - phân xưởng Cracking xúc tác cặn tại nhà máy lọc dầu Dung Quất
ở hai chế độ vận hành dầu Bạch Hổ - tối đa xăng và dầu Bạch Hổ - tối đadiesel
giá hiệu quả thu hồi nhiệt của cụm thiết bị
Tôi chân thành cảm ơn cô TS Đặng Kim Hoàng đã giúp tôi hoàn thành đồ ánnày
Trong quá trình làm, do nhiều nguyên nhân khác nhau nên những thiếu sót làđiều khó tránh khỏi Rất mong sự đóng góp ý kiến của thầy cô giáo và các bạn để đềtài được hoàn thiện hơn
Đà nẵng, ngày 01 tháng 06 năm 2015
Sinh viên thực hiện Nguyễn Xuân Lỉnh
Trang 13Ch ương 1 ng 1 : T NG QUAN V KỸ THU T PINCH ỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT PINCH Ề KỸ THUẬT PINCH ẬT PINCH
1.1 Khái ni m và nguyên t c c a kỹ thu t Pinch ệm và nguyên tắc của kỹ thuật Pinch ắc của kỹ thuật Pinch ủa kỹ thuật Pinch ật Pinch
1.1.1 Khái ni m kỹ thu t Pinch ệm kỹ thuật Pinch ật Pinch
Kỹ thuật Pinch [1, 4, 19] là một kỹ thuật phân tích hệ thống để đưa ra phương
pháp tiết kiệm năng lượng trong một cụm thiết bị hay toàn bộ quá trình công nghệ
Kỹ thuật Pinch dựa trên phương trình cân bằng vật chất và năng lượng Sau khi
cân bằng vật chất và năng lượng được thiết lập, kỹ thuật Pinch sẽ phân tích và tínhtoán tổng lượng nhiệt tối đa có thể thu hồi, lượng nhiệt tối thiểu cho các quá trình đunnóng và làm lạnh cũng như chi phí đầu tư ban đầu cho hệ thống trao đổi nhiệt qua đólựa chọn những giá trị thích hợp bằng cách cân bằng giữa chi phí năng lượng và chiphí đầu tư ban đầu
Kỹ thuật Pinch áp dụng vào hệ thống trao đổi nhiệt được bắt đầu bằng việc xâydựng giản đồ đường cong tổ hợp của các dòng nóng và dòng lạnh
1.1.2 Xây d ng gi n đ đ ựng giản đồ đường cong tổ hợp ản đồ đường cong tổ hợp ồ đường cong tổ hợp ường cong tổ hợp ng cong t h p ổ hợp ợp
Sau khi thiết lập cân bằng vật chất và năng lượng, chúng ta tiến hành xây dựngđường cong tổ hợp cho các dòng nóng và lạnh trên đồ thị Nhiệt độ-Enthanpy (T–H),với các giả thiết sau:
nhiệt độ dT
Với:
- CP: là nhiệt dung riêng lưu lượng, CP = mCp (m: lưu lượng khối
- ∆H: Biến thiên Enthalpy, KW
Đường cong tổ hợp được phân thành 2 loại bao gồm :
+ Đường cong tổ hợp nóng
Trang 14Hình 1.1: Giản đồ đường cong tổ hợp
- Ý nghĩa của việc xây dựng đường tổ hợp được thể hiện như hình 1.2
Hình 1.2: Bề mặt trao đổi nhiệt và lượng nhiệt cung cấp của quá trình
Trang 15Hình 1.2 cho thấy việc xây dựng và phân tích các đường tổ hợp cho phép chúng
ta xác định được:
cho phép tối ưu hệ thống trao đổi nhiệt (HEN)
1.1.3 Khái ni m DTmin và đi m Pinch ệm kỹ thuật Pinch ểm Pinch
- Khái niệm: DTmin là chênh lệch nhiệt độ nhỏ nhất giữa 2 đường
cong tổ hợp nóng và lạnh tại cùng một giá trị biến thiên Enthanpy
ΔH (hình 1.2).H (hình 1.2)
- Xác định DTmin:
ứng của hệ thống, chi phí tổng hệ thống, bao gồm cả chi phí năng lượng và chi phí đầu
tư thiết bị Giá trị DTmin của một số lĩnh vực trong công nghệ hóa học [1] được nêu ranhư trong bảng 1.1:
Bảng 1.1: Một số giá trị DTmin thực nghiệm theo Linnhoff March
sự đóng cặn trong HEN
Chi phí cho tác nhân làm lạnh rất đắttiền, DTmin càng nhỏ nếu nhiệt độcủa tác nhân làm lạnh thấp
Trang 16Tùy thuộc vào HEN, lượng nhiệt thu hồi, phương thức gia nhiệt, phương thứclàm lạnh, việc sản xuất các dòng phụ trợ… mà các giá trị DTmin có thể khác nhau nhưđược trình bày trong bảng 1.2.
hợp lạnh theo phương song song với trục hoành đến khi thỏa mãn điều kiện DTmin thìdừng lại Từ giản đồ này có thể xác định được bề mặt truyền nhiệt tổng, nhiệt lượngcấp vào và lấy đi khỏi quá trình
DTmin tối ưu: Ứng với mỗi giá trị DTmin ta xác định được bề mặt truyền
nhiệt tổng (A), chi phí năng lượng và chi phí đầu tư ban đầu Xây dựng đồ thị phụthuộc giữa các thông số trên sao cho để tìm được giá trị DTmin tối ưu Đồ thị quan hệthực nghiệm giữa các đại lượng trên có dạng như hình 1.3:
Hình 1.3: Quan hệ giữa DTmin và chi phíSau khi xác định được DTmin tối ưu của quá trình, chúng ta tính toán được hếtnhững giá trị tối ưu của HEN Tuy nhiên để đưa những phân tích ở trên vào quá trìnhthiết kế HEN, chúng ta phải xác định được điểm Pinch và tuân theo một số nguyên tắccủa Pinch khi thiết kế HEN để đạt được những giá trị khi tính toán tối ưu
Trang 17Bảng 1.2: DTmin ứng với các nguồn phụ trợ khác nhau
Lượng nhiệt cung cấp phụ thuộc vào điểm sương của khói lò (Ăn mòn)
- Khái niệm: Điểm Pinch là điểm mà tại đó chênh lệch nhiệt độ
nhỏ nhất giữa đường tổ hợp nóng và đường tổ hợp lạnh đạtđược DTmin (hình 1.2).[1]
- Điểm Pinch chia hệ thống thành 2 phần: Phần phía trên điểmPinch (phần nhận nhiệt) và phần dưới điểm Pinch (phần cấpnhiệt)
1.1.4 Nguyên t c Pinch ắc Pinch
Giả sử có một lượng nhiệt α truyền từ phần phía trên điểm Pinch sang phần phíadưới điểm Pinch như vậy ta cần cung cấp thêm một lượng nhiệt đúng bằng α từ bênngoài vào phần phía trên điểm Pinch để đảm bảo quá trình đun nóng Phần phía dướiđiểm Pinch sẽ nhận được lượng nhiệt bằng α từ phần phía trên điểm Pinch nên cũngcần thêm tác nhân làm lạnh để lấy đi lượng nhiệt α do phần trên điểm Pinch cung cấp.Như vậy cần phải cung cấp thêm tác nhân nóng và lạnh cho quá trình Nếu cung cấpcho phần phía dưới điểm Pinch một lượng nhiệt β và lấy bớt ở phần phía trên điểm
Trang 18Pinch một lượng nhiệt bằng γ như vậy cũng đồng nghĩa ta phải thêm tác nhân nóng đểcấp nhiệt cho phần phía trên điểm Pinch và tác nhân lạnh để làm lạnh phần phía dướiđiểm Pinch.
Để đạt được mục tiêu kinh tế và năng lượng, kỹ thuật Pinch yêu cầu một sốnguyên tắc cần phải tuân thủ bao gồm:
Không có sự truyền nhiệt từ phần phía trên xuống phía dưới điểm Pinch
Không có quá trình làm lạnh ở phía trên điểm Pinch
Không có quá trình đun nóng ở phía dưới điểm Pinch
Vi phạm bất kỳ nguyên tắc nào ở trên cũng đều dẫn đến sự truyền nhiệt cắt quaPinch và làm tăng chi phí năng lượng Các nguyên tắc được minh họa trên hình 1.4
Hình 1.4: Những trường hợp vi phạm quy tắc Pinch
1.2 Khai thác d li u t s đ công ngh đ áp d ng vào kỹ thu t ữ liệu từ sơ đồ công nghệ để áp dụng vào kỹ thuật ệm và nguyên tắc của kỹ thuật Pinch ừ sơ đồ công nghệ để áp dụng vào kỹ thuật ơng 1 ồ công nghệ để áp dụng vào kỹ thuật ệm và nguyên tắc của kỹ thuật Pinch ể áp dụng vào kỹ thuật ụng vào kỹ thuật ật Pinch Pinch
1.2.1 Ví d m đ u ụ mở đầu ở đầu ầu
Giả sử ta có sơ đồ công nghệ như hình 1.5
Chú thích:
COND: Thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp
REB: Thiết bị đun sôi đáy tháp
Trang 19H: Thiết bị gia nhiệtC: Thiết bị làm lạnhR1, R2: Thiết bị phản ứngC1: Tháp chưng cất
Trang 20dụ trên, các dòng công nghệ trong sơ đồ được trình bày trong bảng 1.1 dưới đây:
Bảng 1.3: Các số liệu từ sơ đồ công nghệ
Dựa vào số liệu thống kê được trong bảng 1.3 và giá trị DTmin vừa chọn, chúng
ta tiến hành xây dựng đường tổ hợp cho 4 dòng công nghệ ở trên
Xây dựng đường cong tổ hợp cho 2 dòng nóng 1 và 2: Biểu diễn dòng 1 và 2
Bảng 1.4: Dữ liệu nhiệt của dòng nóngST
Trang 21Hai dòng nóng 1 và 2 và đường cong tổ hợp được mô tả trên hình 1.7.
Hình 1.7: Đường cong tổ hợp nóngXây dựng đường cong tổ hợp lạnh cho hai dòng lạnh 3 và 4: Tiến hành tương tự,
Bảng 1.5: Dữ liệu nhiệt của dòng lạnhST
Trang 22 Với giá trị DTmin = 100C Đường cong tổ hợp nóng và lạnh được mô tả như hình 1.9:
Hình 1.9: Giản đồ đường cong tổ hợpVới ví dụ trên, chúng ta bước đầu đã tạo dựng được công cụ phục vụ cho việcphân tích Pinch, tuy nhiên để quá trình phân tích bằng kỹ thuật Pinch đạt hiệu quả cao
và kinh tế nhất thì cần phải tuân thủ một số nguyên tắc được đưa ra dưới đây
1.2.2 Nguyên t c khai thác d li u t s đ công ngh ắc Pinch ữ liệu từ sơ đồ công nghệ ệm kỹ thuật Pinch ừ sơ đồ công nghệ ơ đồ công nghệ ồ đường cong tổ hợp ệm kỹ thuật Pinch
Tất cả những dữ liệu của các dòng công nghệ nóng, lạnh và các dòng phụ trợ, cácthông tin về chi phí của các dòng phụ trợ phải được khai thác đầy đủ và chính xác Dữliệu của các dòng công nghệ và phụ trợ [1,2] bao gồm những thông tin về lưu lượng,nhiệt độ, độ nhớt, hệ số dẫn nhiệt, khối lượng riêng, nhiệt dung riêng là những thôngtin cần thiết để sử dụng kỹ thuật Pinch Dữ liệu hoàn toàn có thể lấy ra từ phương trìnhcân bằng vật chất và năng lượng
Tất cả những dữ liệu mà người thiết kế khai thác từ sơ đồ công nghệ ảnh hưởngtrực tiếp lên hiệu quả của hệ thống trao đổi nhiệt sẽ thiết kế nên bất kỳ một thông tinnào bị sai lệch sẽ làm cho kết quả thiết kế không còn chính xác
Sau đây, chúng ta sẽ khảo sát những nguyên tắc khai thác dữ liệu từ sơ đồ côngnghệ để ứng dụng kỹ thuật Pinch Những nguyên tắc bao gồm: Không tách các dòng
Trang 23có cùng tính chất nhiệt và hóa học trên sơ đồ công nghệ, không tổ hợp các dòng cónhiệt độ khác nhau, không khai thác dữ liệu của các dòng phụ trợ thuần túy, nhận dạngcác dữ liệu mềm, nhiệt độ hiệu quả của các dòng, đảm bảo tính chính xác của dữ liệu.
Trong đó:
+ Reactor 1,2: thiết bị phản ứng 1, 2
+ : Năng lượng, KW.
Hình 1.10: Ví dụ về khai thác dữ liệu từ sơ đồ công nghệ
+ Khai thác dữ liệu dựa theo các dòng công nghệ nóng và lạnh tại các thiết bịtrao đổi nhiệt: Theo hướng này ta xẽ xây dựng được mô hình hệ thống trao đổi nhiệt(HEN) giống như mô hình sẵn có trên sơ đồ công nghệ (hình 1.11), các thông tin vềcác dòng công nghệ được trích ra ở bên trái và mô hình HEN sẵn có được thiết kế lạinhư bên phải
Như vậy, chúng ta mặc nhiên khẳng định rằng mô hình HEN sẵn có là tối ưu vàchúng ta không hề áp dụng kỹ thuật phân tích Pinch trong mô hình này, mô hình nàykhông tính đến việc cải thiện thu hồi năng lượng
Trang 24+ Phương pháp xấp xỉ: Bằng kinh nghiệm và những hiểu biết cặn kẽ tính chấtcủa các dòng công nghệ, chúng ta hoàn toàn có thể gộp các dòng có cùng tính chất lạivới nhau thành một và đơn giản hóa được mô hình thiết kế như hình 1.12.
Ba dòng lạnh (cần gia nhiệt) được gộp lại thành một dòng duy nhất thể hiện đầy
đủ tính chất của cả ba dòng, bên cạnh đó ba dòng nóng cũng được gộp lại thành mộtdòng duy nhất mang đầy đủ những thông tin của cả ba dòng
Các dòng phía trên là dòng công nghệ nóng (cần được làm lạnh).
Các dòng phía dưới là dòng công nghệ lạnh (dòng cần được gia nhiệt).
Các thiết bị gia nhiệt, làm lạnh được thể hiện bằng một vòng tròn và có dấu
Trang 25Hình 1.12: Phương pháp khai thác dữ liệu áp dụng cho kỹ thuật Pinch
Trên sơ đồ công nghệ, các dòng công nghệ được phân ra và trộn lại ở các nhiệt
độ khác nhau là khá phổ biến Nhưng chính điều này gây ra những khó khăn cho ngườithiết kế khi lọc dữ liệu để áp dụng kỹ thuật Pinch
trao đổi nhiệt giả định giữa 2 dòng đó, quá trình này được mô tả trên hình 1.13
từ phía trên điểm Pinch qua phía dưới điểm Pinch (Cross–Pinch) điều này vi phạmnguyên tắc Pinch, kết quả là làm tăng lượng nhiệt cần sử dụng cho cả quá trình
Hình 1.13 a&b: Thiết bị trao đổi nhiệt giả định
Trang 26Để tránh Cross-Pinch khi tổ hợp hai hay nhiều dòng công nghệ chúng ta cần phải
tổ hợp các dòng này ở cùng nhiệt độ như hình 1.13c dưới đây:
Khi lọc dữ liệu từ sơ đồ công nghệ để áp dụng kỹ thuật Pinch, nhiệt độ hiệu quảcủa các dòng mới là giá trị quan trọng chứ không phải là nhiệt độ thực của các dòng
Nhiệt độ thực của dòng công nghệ: Nhiệt độ thực của dòng công nghệ là nhiệt độ
tại đầu vào và đầu ra ở mỗi thiết bị trao đổi nhiệt
Nhiệt độ hiệu quả:
mà dòng nóng truyền cho dòng lạnh
Trang 27 Đối với dòng lạnh: Nhiệt độ hiệu quả là nhiệt độ ứng với lượng nhiệt cầnthêm vào để nó đạt được nhiệt độ cần thiết.
được làm lạnh nhanh do các sản phẩm của phản ứng lấy bớt nhiệt của phản ứng làm
lúc này được tính từ lượng nhiệt cung cấp để sản sinh hơi nước theo yêu cầu Do vậy,nếu chúng ta lấy nhiệt độ thực của dòng sản phẩm phản ứng thì kết quả sẽ không chínhxác
Hình 1.14: Nhiệt độ hiệu quả
Chúng ta biết rằng biến thiên ΔH (hình 1.2).H thường là không tuyến tính trong các quá trìnhthực tế, đặc biệt là trong các quá trình có sự hóa hơi và ngưng tụ của các dòng côngnghệ
Biến thiên ΔH (hình 1.2).H phụ thuộc vào Cp, trong khi đó Cp lại là một hàm của nhiệt độ,
công nghệ, Cp sẽ thay đổi theo Do vậy, để kết quả tính toán không bị sai lệch nhiều,chúng ta phải chia dòng ra thành nhiều khoảng nhiệt độ khác nhau và xác định Cp chotừng đoạn để xây dựng đường cong đun nóng và làm lạnh giả định Cũng cần chú ýrằng vị trí của đường cong giả định so với đường cong thực cũng là một yếu tố rấtquan trọng và tuân theo quy tắc sau (hình 1.15):
Trang 28Hình 1.15: Đường tổ hợp trích xuất và đường tổ hợp thực
độ trong khi đó chúng ta lại chấp nhận giả thiết là Cp là hằng số trong suốt quá trình và
sự thay đổi Enthanpy là tuyến tính
Dòng phụ trợ thuần túy là những dòng mà về nguyên tắc hoàn toàn có thể thaybằng một dòng phụ trợ khác cho mục đích trao đổi nhiệt Và vì vậy chúng ta khôngđược phép mô tả nó lên đường tổ hợp của quá trình
Ví dụ chúng ta sử dụng không khí để làm lạnh, ngưng tụ một dòng công nghệ,khi đó chúng ta hoàn toàn có thể thay thế không khí trong thiết bị đó bằng một tácnhân khác như là nước hay là một tác nhân làm lạnh khác Trong trường hợp này,không khí là một dòng phụ trợ và cũng là một tác nhân làm lạnh thuần túy và khôngđược mô tả lên đường tổ hợp của quá trình
Trang 29Nhưng khi dòng phụ trợ tham gia vào quá trình như là một dòng công nghệ vàkhông thể thay thế bằng một tác nhân khác thì phải mô tả nó lên trên sơ đồ công nghệ.
Ví dụ với phản ứng Shift:
CO + H 2 O CO 2 + H 2
Hơi nước dùng cho phản ứng này được tạo ra từ nước sạch và tham gia vào phảnứng này như là một phần không thể thay thế bằng một tác nhân nào khác, nên nó phảiđược biểu diễn lên đường tổ hợp của quá trình như là một phần của đường tổ hợp lạnh
Điều kiện nhiệt độ, áp suất và Enthanpy của một số dòng công nghệ trong quátrình có thể thay đổi được trong một giới hạn nhất định Ba thông số trên được gọi là
dữ liệu mềm trong quá trình trích xuất dữ liệu phục vụ cho kỹ thuật Pinch Ví dụ: Ápsuất đầu ra của một bơm thể tích phải nằm trong một giới hạn nhất định để đảm bảokhông có sự hoá hơi nguyên liệu tại cửa vào của bơm; hay nhiệt độ của dòng sản phẩmvào kho cũng có thể thay đổi trong một giới hạn nhất định Đối với dữ liệu mềm,chúng ta cần trích xuất sao cho tổng năng lượng cung cấp cho quá trình là nhỏ nhất
1.3 S d ng nhi u tác nhân cho quá trình đun nóng và làm l nh ử dụng nhiều tác nhân cho quá trình đun nóng và làm lạnh ụng vào kỹ thuật ều tác nhân cho quá trình đun nóng và làm lạnh ạnh
1.3.1 Bi u di n trên gi n đ đ ểm Pinch ễn trên giản đồ đường cong tổ hợp ản đồ đường cong tổ hợp ồ đường cong tổ hợp ường cong tổ hợp ng cong t h p ổ hợp ợp
Giả sử nếu ta chỉ sử dụng một loại hơi cao áp (HPS) cho quá trình đun nóng ởphần phía trên điểm Pinch khi mà nhiệt độ của đường cong tổ hợp lạnh còn thấp thì sẽrất tốn kém vì chi phí cho quá trình sản xuất hơi cao áp đắt hơn rất nhiều so với chi phícho quá trình sản xuất hơi áp suất trung bình (MPS) hay hơi thấp áp (LPS) Như vậy,
để đảm bảo tính kinh tế cho quá trình thiết kế, cần giảm thiểu tối đa các nguồn phụ trợđắt tiền và thay vào đó bằng các nguồn rẻ tiền hơn Chúng ta mong muốn sử dụng hơi
áp thấp và trung bình cho quá trình đun nóng cũng như sử dụng nước và không khí choquá trình làm lạnh để giảm chi phí
Biểu diễn quá trình sử dụng nhiều loại hơi trên giản đồ T–H như hình 1.16
Với các quá trình cần có tác nhân nung nóng có nhiệt độ cao hơn hoặc cần làmlạnh xuống dưới nhiệt độ môi trường khi đó ta không chỉ sử dụng một loại tác nhânnóng hay lạnh duy nhất mà là tổ hợp của nhiều tác nhân khác nhau, việc biểu diễnnhiều tác nhân như vậy lên trên đường cong tổ hợp sẽ làm cho đồ thị hết sức phức tạp
Trang 30Hình 1.16: Sử dụng nhiều tác nhân đun nóng
Để biểu diễn nhiều tác nhân đun nóng hay làm lạnh cho quá trình lên cùng một giản đồ, chúng ta sử dụng giản đồ Grand (GCC)
1.3.2 Bi u di n trên gi n đ đ ểm Pinch ễn trên giản đồ đường cong tổ hợp ản đồ đường cong tổ hợp ồ đường cong tổ hợp ường cong tổ hợp ng t h p Grand ổ hợp ợp
Mục đích: Đường tổ hợp Grand giúp dễ dàng quan sát khi sử dụng nhiều tác
nhân nung nóng và làm lạnh trong quá trình Bên cạnh đó, đường tổ hợp Grand giúp
đỡ người thiết kế lựa chọn các nguồn tác nhân cho quá trình đun nóng và làm lạnh
Hình 1.17: Giản đồ đường cong dịch chuyển
Để dễ quan sát, ta phóng to hình 1.17 (phần bên phải) như hình 1.18 dưới đây
Trang 31Khi đặt vào đường Grand thì nhiệt độ của dòng nóng sẽ giảm đi 1/2DTmin vànhiệt độ của dòng lạnh tăng 1/2DTmin Nhiệt độ của tác nhân nóng cũng giảm đi1/2DTmin và tác nhân làm lạnh cũng tăng lên 1/2DTmin.
- Biểu diễn nhiều tác nhân đun nóng và làm lạnh lên giản đồ Grand:
Giả sử ban đầu ta dùng hơi cao áp (HPS) để đun nóng và nước để làm lạnh(CW), hai tác nhân phụ trợ này được biểu diễn lên giản đồ Grand như hình 1.18 bêndưới:
Hình 1.18: Lượng nước làm mát và hơi cần cung cấpHơi nước cao áp là một nguồn phụ trợ đắt tiền vì chi phí sản xuất và chi phí vậnhành cao, bên cạnh đó nước làm mát là một tác nhân làm mát rẻ tiền nhưng cũng cầnphải xử lý để có những tính năng cần thiết nhằm tránh ăn mòn thiết bị nên cũng tốnkém chi phí Để giảm chi phí cho quá trình, giảm lượng hơi nước cao áp HPS và nướclàm lạnh CW sử dụng và thay vào đó là lượng hơi thấp áp LPS và không khí Air rẻtiền hơn Giản đồ Grand giúp chúng ta thực hiện điều này một cách dễ dàng bằng cáchnhận ra nhiệt độ thích hợp sử dụng tác nhân và biểu diễn tác nhân phụ trợ tại nhiệt độ
đó bằng một đường nằm ngang (hình 1.20)
Trên đồ thị hình 1.20, chúng ta nhận thấy rằng việc sử dụng tối đa hơi nước thấp
áp LPS để gia nhiệt và không khí để làm lạnh có thể cho phép làm giảm tối đa sử dụng
Trang 32lượng hơi nước cao áp HPS và nước làm mát CW nên cho phép giảm chi phí của cảquá trình.
Hình 1.19: Giản đồ Grand và điểm PinchTrên giản đồ Grand, điểm mà tại đó lượng hơi thấp áp LPS tối đa đạt được vàlượng không khí Air tối đa đạt được gọi là điểm Pinch phụ trợ (Utility Pinch) Nếuchúng ta xê dịch ra khỏi điểm Utility Pinch sẽ làm tăng chi phí ở một bên nào đó củaProcess Pinch hoặc cả hai bên của Process Pinch vì điều này làm giảm sử dụng nhữngtác nhân rẻ tiền và tăng sử dụng tác nhân đắt tiền, ngược lại nếu vi phạm quy tắc Pinch
sẽ dẫn đến sự gia tăng chi phí của cả quá trình
1.4 Cân b ng gi a chi phí năng l ằng giữa chi phí năng lượng và đầu tư ban đầu ữ liệu từ sơ đồ công nghệ để áp dụng vào kỹ thuật ượng và đầu tư ban đầu ng và đ u t ban đ u ầu tư ban đầu ư ầu tư ban đầu
Thiết kế mới hệ thống trao đổi nhiệt luôn phải cân bằng giữa chi phí năng lượng
và chi phí đầu tư ban đầu Mối quan hệ này phụ thuộc vào việc chọn giá trị DTmin.Nếu DTmin nhỏ thì chi phí năng lượng thấp, lượng nhiệt thu hồi lớn nhưng chi phí đầu
tư ban đầu lớn do đòi hỏi bề mặt trao đổi nhiệt lớn Nếu DTmin lớn, chi phí nănglượng tăng do lượng nhiệt thu hồi thấp nhưng chi phí đầu tư ban đầu nhỏ
Thiết kế cải tiến một hệ thống có sẵn luôn có những khó khăn nhất định do bềmặt trao đổi nhiệt đã được thiết lập sẵn do vậy việc cân bằng giữa chi phí đầu tư vànăng lượng là rất khó khăn
Trang 331.4.1 Quá trình thi t k m i m ng l ết kế mới mạng lưới trao đổi nhiệt ết kế mới mạng lưới trao đổi nhiệt ới mạng lưới trao đổi nhiệt ạng lưới trao đổi nhiệt ưới mạng lưới trao đổi nhiệt i trao đ i nhi t ổ hợp ệm kỹ thuật Pinch
Với một quá trình thiết kế mới, ứng dụng kỹ thuật phân tích Pinch có thể giảmthiểu chi phí sử dụng năng lượng cho quá trình bằng cách chọn giá trị DTmin thíchhợp cho quá trình đó Giá trị DTmin thấp cho phép giảm tiêu thụ năng lượng cho quátrình Tuy nhiên, quá trình thiết kế mới lại gặp hai vấn đề trái ngược nhau, tiêu thụnăng lượng và bề mặt truyền nhiệt lắp đặt biến thiên theo hai hướng ngược nhau khithay đổi giá trị DTmin Vì vậy tối ưu hệ thống trao đổi nhiệt là một công việc tươngđối khó khăn, để làm việc này cần phải cân băng giữa chi phí năng lượng và chi phíđầu tư ban đầu sao cho chi phí tổng là nhỏ nhất, giá trị tại đó đạt được chi phí tổng nhỏnhất gọi là giá trị DTmin tối ưu như trình bày ở hình 1.4
a Xác đ nh b m t truy n nhi t ịnh bề mặt truyền nhiệt ều tác nhân cho quá trình đun nóng và làm lạnh ặt truyền nhiệt ều tác nhân cho quá trình đun nóng và làm lạnh ệm và nguyên tắc của kỹ thuật Pinch
Ứng với mỗi giá trị DTmin, bằng giản đồ đường tổ hợp của các dòng công nghệ,hoàn toàn có thể xác định được lượng nhiệt tiêu thụ và bề mặt truyền nhiệt của hệthống
Khi giá trị DTmin tối ưu được chọn, dựa vào đường tổ hợp của các dòng côngnghệ hoàn toàn có thể xác định được diện tích bề mặt truyền nhiệt tối ưu
Bề mặt truyền nhiệt của hệ thống được tính theo công thức (hình 1.20): [18]
ΔH (hình 1.2).Hi : Lượng nhiệt trao đổi ở từng thiết bị
Bằng cách vẽ những đường thẳng đứng nối các điểm trên đường tổ hợp nóng vớicác điểm tương ứng trên đường tổ hợp lạnh có thể chia hệ thống thành từng đoạn vàtính toán bề mặt truyền nhiệt theo công thức (1.1) ở trên
Trang 34Hình 1.20: Bề mặt truyền nhiệt của hệ thống
b Xác đ nh s l ịnh bề mặt truyền nhiệt ố lượng thiết bị trao đổi nhiệt tối thiểu của mạng lưới ượng và đầu tư ban đầu ng thi t b trao đ i nhi t t i thi u c a m ng l ết bị trao đổi nhiệt tối thiểu của mạng lưới ịnh bề mặt truyền nhiệt ổi nhiệt tối thiểu của mạng lưới ệm và nguyên tắc của kỹ thuật Pinch ố lượng thiết bị trao đổi nhiệt tối thiểu của mạng lưới ể áp dụng vào kỹ thuật ủa kỹ thuật Pinch ạnh ưới i
Số lượng thiết bị trao đổi nhiệt tối thiểu [3] phụ thuộc vào số lượng các dòngnóng và lạnh tham gia vào quá trình trao đổi nhiệt, nó có thể được xác định bằng côngthức sau:
Năng lượng cung cấp cho quá trình là nhỏ nhất.
Không có sự truyền nhiệt cắt qua Pinch (Cross-Pinch).
Áp dụng cho từng phía của Pinch.
Trang 35c Xác đ nh chi phí c a m ng l ịnh bề mặt truyền nhiệt ủa kỹ thuật Pinch ạnh ưới i trao đ i nhi t ổi nhiệt tối thiểu của mạng lưới ệm và nguyên tắc của kỹ thuật Pinch
Chi phí của HEN [8] bao gồm: Chi phí vận hành và chi phí đầu tư ban đầu Chiphí đầu tư HEN phụ thuộc vào diện tích bề mặt trao đổi nhiệt tính toán được và loạithiết bị trao đổi nhiệt lựa chọn Chi phí vận hành phụ thuộc vào loại tác nhân phụ trợ
sử dụng Sau đây chúng ta sẽ lần lượt tính toán chi phí đầu tư và chi phí vận hành
Tùy thuộc vào giá cả vật liệu tại thời điểm tính toán mà các hệ số a, b, c có giátrị khác nhau Theo giá thị trường năm 2006, các hệ số a, b, c được cho dưới đây:
Smin)c Smin
(1.4)
Nu,min : Số lượng thiết bị trao đổi nhiệt ứng với MER
OC = UChu.Qhu,min + UCcu.Qcu,min (1.5)Trong đó
Trang 36UCcu : Chi phí của tác nhân làm lạnh lạnh ($/KW.năm)
Qhu,min và Qcu,min : Năng lượng tối thiểu cấp cho quá trình đun nóng và lấy
đi ở quá trình làm lạnh (KW/năm)
TAC = CC + OC ($/năm) (1.6)Trong đó:
TAC : Chi phí hằng năm ($/năm)
DTmin quyết định tổng chi phí hằng năm do vậy việc tìm ra giá trị DTmin tối ưu
là một việc cần làm trước khi thiết kế
Giản đồ mối quan hệ thực nghiệm, giữa DTmin, chi phí năng lượng và chi phíđầu tư ban đầu thể hiện trên hình 1.21
Hình 1.21: Chi phí của mạng lưới trao đổi nhiệt
Trang 371.4.2 Thi t k c i ti n m ng l ết kế mới mạng lưới trao đổi nhiệt ết kế mới mạng lưới trao đổi nhiệt ản đồ đường cong tổ hợp ết kế mới mạng lưới trao đổi nhiệt ạng lưới trao đổi nhiệt ưới mạng lưới trao đổi nhiệt i trao đ i nhi t ổ hợp ệm kỹ thuật Pinch
Kỹ thuật Pinch được ứng dụng nhiều để thiết kế cải tiến hệ thống trao đổi nhiệt.Thiết kế cải tiến thường chỉ xem xét lại cân bằng giữa chi phí đầu tư và chi phí nănglượng với số lượng thiết bị và bề mặt truyền nhiệt có sẵn bằng đồ thị
Đường cong thiết kế mới chia đồ thị thành 2 phần: Phần phía trên ứng với vùngkém hiệu quả kinh tế, vùng phía dưới (khu vực có gạch chéo) là vùng có hiệu quả cao(không thõa mãn với mô hình tồn tại) Mô hình tồn tại luôn luôn nằm trên đường congthiết kế mới
Để đạt mục tiêu tiết kiệm năng lượng hơn mô hình đang có, cần phải dịch chuyển
mô hình này về gần với đường cong thiết kế mới nghĩa là phải lắp đặt thêm thiết bịtrao đổi nhiệt để tăng diện tích bề mặt của hệ thống trao đổi nhiệt (HEN) sẵn có
Hình 1.22: Cân bằng năng lượng và diện tích cho thiết kế lạiThực chất của thiết kế cải tiến là xây dựng lại đường cong thiết kế mới cho hệthống đang có và so sánh HEN hiện có với HEN thiết kế mới, tìm ra vị trí hiện tại vàtiến hành dịch chuyển mô hình hiện tại về gần với đường cong thiết kế mới nhất có thểđược
Trang 38a Thi t k c i ti n d a trên DTmin ết bị trao đổi nhiệt tối thiểu của mạng lưới ết bị trao đổi nhiệt tối thiểu của mạng lưới ải tiến dựa trên DTmin ết bị trao đổi nhiệt tối thiểu của mạng lưới ựa trên DTmin
Giá trị DTmin có ảnh hưởng lớn đến việc tiết kiệm năng lượng và chi phí đầu tưcủa HEN Phân tích mối quan hệ giữa DTmin và chi phí năng lượng cho phép đưa ramột cái nhìn đơn giản cho quá trình thiết kế lại hệ thống trao đổi nhiệt Mối quan tâmkhi xây dựng đường cong trên giản đồ DTmin – Chi phí năng lượng là độ dốc củađường cong đó:
quả, hiệu quả sử dụng của HEN sau cải tiến là không cao
lượng tiết kiệm được lớn hơn nếu sử dụng mô hình HEN mới
Khảo sát đường cong DTmin - Chi phí năng lượng được chỉ ra trên hình 1.23: Khi giảm dần DTmin ta nhận thấy rằng:
phí năng lượng rất nhanh nghĩa là độ dốc β của đường cong lớn Khoảng này gọi làđoạn nhạy cảm Khi giảm DTmin nằm trong đoạn này, chi phí đầu tư tăng lên nhưngtiết kiệm năng lượng được nhiều nhất Thiết kế cải tiến cần phải tìm ra được đoạn này
Hình 1.23: Thiết kế cải tiến dựa trên sự thay đổi DTmin
năng lượng giảm rất ít, độ dốc của đường cong nhỏ Khoảng này gọi là đoạn ít nhạy
Trang 39cảm Khi giảm DTmin về đoạn này, năng lượng tiết kiệm được không nhiều mà chiphí đầu tư lại tăng lên nên khi thiết kế cải tiến cần tránh đoạn này.
b Thi t k c i ti n d a trên giá tr DTmin th c nghi m ết bị trao đổi nhiệt tối thiểu của mạng lưới ết bị trao đổi nhiệt tối thiểu của mạng lưới ải tiến dựa trên DTmin ết bị trao đổi nhiệt tối thiểu của mạng lưới ựa trên DTmin ịnh bề mặt truyền nhiệt ựa trên DTmin ệm và nguyên tắc của kỹ thuật Pinch
Sau những nghiên cứu trên mô hình thực tế, Linnhoff March đã đưa ra một số giátrị DTmin cho các quá trình trong thực tế Các số liệu DTmin ứng với từng mục cụ thểhoàn toàn có thể dùng được như là một sự lựa chọn gợi ý cho quá trình thiết kế cảitiến Sở dĩ có thể dùng được các giá trị DTmin kinh nghiệm là vì thông thường các quátrình có chung mục đích thì có hình dạng đường tổ hợp nóng và lạnh tương tự nhau Ví
dụ như quá trình gia nhiệt dầu thô, hai đường tổ hợp nóng và lạnh có khuynh hướngsong song nhau do lưu lượng nguyên liệu và sản phẩm của quá trình chưng cất bằngnhau
Hình dạng đường tổ hợp nóng và lạnh ảnh hưởng lớn đến lượng nhiệt thu hồiđược từ các dòng công nghệ nóng Và vì vậy nó cũng quy định chênh lệch nhiệt nhiệt
độ tối thiểu DTmin và chi phí đầu tư ban đầu (hình 1.24)
năng lượng cho quá trình đun nóng và làm lạnh
tích bề mặt trao đổi nhiệt lớn
Hình 1.24: Ảnh hưởng của hình dạng đường tổ hợp lên giá trị DTmin tối ưu
Trang 40Một số giá trị DTmin thực nghiệm trong lĩnh vực lọc dầu được Linhoff March
đề nghị trong bảng 1.7 dưới đây
Bảng 1.7: Một số giá trị DTmin sử dụng cho thiết kế cải tiến trong nhà máy lọc dầu
vùng áp suất cao (DTmin = 40) và6
1.5 Thi t k h th ng trao đ i nhi t b ng ph ết bị trao đổi nhiệt tối thiểu của mạng lưới ết bị trao đổi nhiệt tối thiểu của mạng lưới ệm và nguyên tắc của kỹ thuật Pinch ố lượng thiết bị trao đổi nhiệt tối thiểu của mạng lưới ổi nhiệt tối thiểu của mạng lưới ệm và nguyên tắc của kỹ thuật Pinch ằng giữa chi phí năng lượng và đầu tư ban đầu ương 1 ng pháp Pinch
1.5.1 M t s khái ni m c b n ột số khái niệm cơ bản ố khái niệm cơ bản ệm kỹ thuật Pinch ơ đồ công nghệ ản đồ đường cong tổ hợp
Hệ thống trao đổi nhiệt: Hệ thống trao đổi nhiệt là một tập hợp các thiết bị
trao đổi nhiệt ở đó xảy ra quá trình trao đổi nhiệt giữa các dòng nóng và lạnh để đạtđược nhiệt độ mong muốn
Sơ đồ lưới (Grid diagram): Sơ đồ thể hiện các dòng công nghệ và các dòng
phụ trợ Trên sơ đồ lưới, các dòng công nghệ nóng và dòng phụ trợ lạnh được đặt ởphía trên, còn các dòng công nghệ lạnh và dòng phụ trợ nóng được đặt ở bên dưới(hình 1.26)
Dòng: Trên sơ đồ lưới, dòng được thể hiện là một đường thẳng chạy dài từ
nhiệt độ bắt đầu đến nhiệt độ cuối Trong đó:
+ Hai dòng trên biểu diễn cho dòng nóng (dòng có nhiệt độ giảm) + Hai dòng dưới biểu diễn cho dòng lạnh (dòng có nhiệt độ tăng)
Nhánh: Một dòng có thể được phân thành nhiều nhánh khác nhau và các
nhánh này sau đó hợp lại thành dòng ban đầu Với giả sử rằng CP là một hằng số trongmột khoảng nhiệt độ nào đó ta có: