Tổng quan về các kỹ thuật tối ưu các quá trình hóa học

•Phântíchchuỗichi  phísảnxuất •Đốitượngápdụngcủakỹthuậttốiưu •Cáckỹthuậttốiưutrongcôngnghiệp Phântíchchuỗichi  phísảnsuất •Nhàmáylọcdầu •Nhàmáyhóadầu •Nhàmáysảnxuấtethnoltừsắnlát Phântíchchi phícủanhàmáylọcdầu NHÀ MÁY LỌC  DẦU Chi phídầuthô Chi phínănglượng Chi phínhâncông Chi phíxúctác Tiềnbánsảnphẩm Thuếthunhậpdoanh nghiệp Chi phíquảnlý Chi phíhóachấtChi phímuasảnphẩm Chi phíthuêđất Chi phítồnchứa Chi phímôitrường Chi  phínước Chi phísảnxuất Đườngđicủadầuthôvàonhàmáylọcdầu FPSO Tanker Loading system Storage Refinery Đườngđicủasảnphẩmrakhỏinhàmáylọc dầu Refinery Product  storage Jetty Tanker End user Tank car Phântíchchi phícủanhàmáyĐạm NHÀ MÁY ĐẠM Chi phínguyênliệu Chi phínănglượng Chi phínhâncông Chi phíxúctác Tiềnbánsảnphẩm Thuếthunhậpdoanh nghiệp Chi phíquảnlý Chi phíhóachất Chi phíthuêđất Chi phítồnchứa Chi phímôitrường Chi phínước Chi phísảnxuất Phântíchchi phícủanhàmáyCồn NHÀ MÁY CỒN Chi phínguyênliệu Chi phínước Chi phínhâncông Chi phíchấtbiếntính Tiềnbánsảnphẩm Thuếthunhậpdoanh nghiệp Chi phíquảnlý Chi phíhóachất Chi phíthuêđất Chi phítồnchứa Chi phímôitrường Chi phínấmmen Chi phísảnxuất Đốitượngápdụngkỹthuậttốiưu •Nhàmáysảnxuấthóachất •Nhàmáynhiênliệusinhhọc •Nhàmáylọcdầu •Nhàmáychếbiếnkhí •Nhàmáyhóadầu •Nhàmáynhiệtđiện Kỹthuậttốiưutrongcôngnghiệp •KỹthuậtphântíchInputOutput •KỹthuậtphântíchPinch •KỹthuậtphântíchExergy •Quyhoạchtuyếntính

Trường Đại học Bà Rịa-Vũng Tàu

Khoa Công nghệ Kỹ thuật Hóa học

Môn học:

TỐI ƯU HÓA CÁC QUÁ TRÌNH TRONG CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

BR‐VT, 9‐2013

Chương 2  Tổng quan về các kỹ thuật tối ưu

các quá trình hóa học

BR‐VT, 9‐2013

Nội dung

• Phân tích chuỗi chi phí sản xuất

• Đối tượng áp dụng của kỹ thuật tối ưu

• Các kỹ thuật tối ưu trong công nghiệp

Phân tích chuỗi chi phí sản suất

• Nhà máy lọc dầu

• Nhà máy hóa dầu

• Nhà máy sản xuất ethnol từ sắn lát

Phân tích chi phí của nhà máy lọc dầu

NHÀ MÁY LỌC 

DẦU

Chi phí dầu thô

Chi phí năng lượng

Chi phí nhân công

Chi phí môi trường Chi phí nước

Chi phí sản xuất

Đường đi của dầu thô vào nhà máy lọc dầu

Đường đi của sản phẩm ra khỏi nhà máy lọcdầu

Refinery

Product  storage

Jetty

Tanker

End user Tank car

Phân tích chi phí của nhà máy Đạm

NHÀ MÁY ĐẠM

Chi phí nguyên liệu

Chi phí năng lượng

Chi phí nhân công

Chi phí môi trường Chi phí nước

Chi phí sản xuất

Phân tích chi phí của nhà máy Cồn

Chi phí môi trường Chi phí nấm men

Chi phí sản xuất

Đối tượng áp dụng kỹ thuật tối ưu

• Nhà máy sản xuất hóa chất

• Nhà máy nhiên liệu sinh học

• Nhà máy lọc dầu

• Nhà máy chế biến khí

• Nhà máy hóa dầu

• Nhà máy nhiệt điện

Kỹ thuật tối ưu trong công nghiệp

• Kỹ thuật phân tích Input/Output

• Kỹ thuật phân tích Pinch

• Kỹ thuật phân tích Exergy

• Quy hoạch tuyến tính

• …… 

Chương 3  Phương pháp phân tích Pinch

BR‐VT, 9‐2013

Khái niệm và ứng dụng của Pinch

• Khái niệm : Pinch là kỹ thuật phân tích hệ thống nhằm tiết kiệm năng

lượng sử dụng trong quá trình Bản chất của quá trình là đưa ra được mục tiêu mong muốn đạt được.

• Cơ sở xây dựng phương pháp : Cân bằng vật chất và năng lượng. 

• Phân loại kỹ thuật Pinch:

• Pinch nước

• Pinch hydro

• Pinch analysis 

Khái niệm và ứng dụng của Pinch

Số TB TĐN: 6 Nhiệt cấp: 1722 kW Nhiệt làm nguội: 654 kW

Khái niệm và ứng dụng của Pinch

Số TB TĐN: 4 Nhiệt cấp: 1068 kW Nhiệt làm nguội: 0 kW

Lịch sử Pinch

• Linhoff March and Flower của trường đại học ETH Zurich và LEED;

• ICI ứng dụng lần đầu vào tối ưu xưởng chưng cất khí quyển dầu thô và sau đó áp dụng cho các nhà máy khác với mức tiết kiệm trung bình là 30%;

• BASF ứng dụng Pinch và ghi nhận mức tiết kiệm là 25%.

Một số kết quả đạt được khi áp dụng kỹ thuật

Pinch

Đối tượng và điều kiện áp dụng kỹ thuật Pinch

• Các quá trình có nhiều hơn một dòng nguội và nóng;

• Quá trình phải có tác nhân gia nhiệt và làm nguội.

Chương 4

Nhập môn phương pháp phân

tích Pinch

BR‐VT, 9‐2013

Giản đồ nhiệt độ - enthalpy

Cơ bản về truyền nhiệt

• Trao đổi nhiệt cùng chiều:

Cơ bản về truyền nhiệt

• Trao đổi nhiệt ngược chiều:

Cơ bản về truyền nhiệt

• Trao đổi nhiệt hỗn hợp:

Cơ bản về truyền nhiệt

• Nhiệt trao đổi:

• Fn thông thường ≥ 0,75

LMTD = (TH - TC)/Ln(TH/ TC)

Cơ bản về truyền nhiệt

• Giản đồ xác định Fn

Cơ bản về truyền nhiệt

Các đặc trưng của kỹ thuật Pinch

‐ Đường tổ hợp nóng (hot composite

curve):

Tổng của các dòng công nghệ nóng

trong sơ đồ công nghệ

‐ Đường tổ hợp nguội (cold composite curve):

Tổng của các dòng công nghệ nguội trong sơ đồ côgn nghệ

DTmin:DTmin là chênh lệch nhiệt độ nhỏ nhất giữa 2 đường tổ hợp nóng và nguội (cũng là chênh lệch nhiệt độ nhỏ nhất trong hệ thống trao đổi nhiệt)

Đường tổ hợp (Đường tổ hợp Composite) : Đường tổ hợp là tổng của các dòng công nghệ trong quá trình.

Đường tổ hợp được phân thành 2 loại:

Ý nghĩa của việc xây dựng đường tổ hợp:

QCmin QHmin Pinch point Diện tích bề mặt trao 

đổi nhiệt Amin

Các đặc trưng của kỹ thuật Pinch

i k c i

k h

i k h i LM

n

H U

H T

A A

1

, _

, _ ,

_

, _ _

1 min

1

QCminlà lượng nhiệt tối thiểu lấy đi bởi quá trình làm lạnh

QHminlà lượng nhiệt tối thiểu cần cấp cho quá trình đun nóng

5

Pinch point: là điểm ứng với DTmin trên đường tổ hợp đặc trưng bằng nhiệt độ dòng nóng Th (hot pinch) và nhiệt độ dòng nguội Tc(cold pinch).

Các đặc trưng của kỹ thuật Pinch

Đường tổ hợp được xây dựng trên giản đồ T – H theo nguyên tắc tổng CP:

Lượng nhiệt mà dòng nóng nhường hay dòng nguội nhận được tính theo công thức:

H = m.Cp.(T cuối – T đầu ) = CP.(T cuối – T đầu ) 

m : Lưu lượng khối lượng (kg/s)

Cp : Nhiệt dung riêng khối lượng (Kj/kg o C)

CP : Nhiệt dung riêng lưu lượng (KW/ o C)

T đầu (cuối) : Nhiệt độ đầu và cuối của các dòng

Các đặc trưng của kỹ thuật Pinch

ΔH KW 

T  O C

CP1 CP1+CP2 CP2

CP4

CP3+CP4 CP3

Các đặc trưng của kỹ thuật Pinch

BÀI TẬP SỐ 1 Xây dựng đường tổ

hợp composite (CC)  cho hệ thống nêu trên?

Các đặc trưng của kỹ thuật Pinch

Biểu diễn Q Hmin , Q Cmin và các tác nhân phụ trợ lên giản đồ Grand

những đường thẳng nằm ngang, độ

lớn bằng khoảng cách giữa điểm

cuối của đường Grand và trục tung.

Giả sử trong quá trình có 2 tác nhân

đun nóng được sử dụng là hơi thấp

áp LP và hơi cao áp HP, tác nhân

làm lạnh là nước làm mát CW Biểu

diễn lên giản đồ Grand bằng một

đường nằm ngang.

Utility Pinch Process Pinch

Xây dựng đường tổ hợp grand:

Biểu diễn các dòng công nghệ

Dòng nóng

Dòng nguội

Biểu diễn trên sơ đồ có điểm Pinch

Dtmin = 10 oC

Biểu diễn hệ thống trao đổi nhiệt

Nguyên tắt Pinch

1 Không có quá trình truyền nhiệt qua Pinch point (cross Pinch)

2 Không có quá trình cấp nhiệt ở phía Source

3 Không có quá trình làm nguội ở phía Sink

Nguyên tắc Pinch

(1) (3)

(2) Sink

Source

Trích xuất dữ liệu

Những dữ liệu cần trích xuất phục vụ cho kỹ thuật Pinch:

Nhiệt độ

Áp suất lưu lượng Nhiệt dung riêng

Độ nhớt

Độ dẫn nhiệt Khối lượng riêng Các nguyên tắc cần tôn trọng khi trích xuất dữ liệu

Không tách các dòng có cùng tính chất

Phương pháp thông thường

Không tách các dòng có cùng tính chất

Phương pháp Pinch

Không trộn các dòng có nhiệt độ khác nhau

Khai thác dữ liệu tại các nhiệt độ có hiệu quả

Nhiệt độ có hiệu quả: Nhiệt độ thực của dòng thực hiện quá trình trao đổi nhiệt

Ví dụ:

Trong ví dụ này, nhiệt độ thực của dòng công nghệ là

700 oC (nhiệt độ trao đổi thực tế) Vì vậy, khi trích xuất cần phải thận trọng.

Đảm bảo tính chính xác của dữ liệu

Không trích xuất dòng phụ trợ thuần túy

Nhận dạng dữ liệu mềm khi trích xuất

Nhiệt độ các dòng sản phẩm vào kho thường dao động trong một khoảng nhỏ (thông thường khoảng

10 oC).

Ví dụ như dòng Kerosen được tồn chứa trong kho từ

50 - 60 oC, khi trích xuất dữ liệu phục vụ cho tính toán có thể lấy nhiệt độ cuối là 50 oC hoặc 60 oC.

Phương pháp xác định Dtmin tối ưu

Chi phí

DTmin DTmin 

chi phí vận hành (OC)

chi phí đầu tư ban đầu (CC)

phí vận hành và chi phí đầu tư ban đầu

Giá trị Dtmin tối ưu tương ứng với chi phí tổng nhỏ nhất

Chi phí đầu tư (CC)

Loại thiết bị a b c

Thiết bị trao

đổi nhiệt 10000 800 0.8

Lò đốt 100000 1000 0.8

Chi phí của một thiết bị trao đổi nhiệt thông thường được tính:

Chi phí của một thiết bị trao đổi nhiệt dạng tube – shell:

Chi phí của HEN dạng tube – shell tối ưu theo phương pháp Pinch:

Chi phí đầu tư lò đốt:

Chú thích:

CC: Chi phí đầu tư ban đầu ($)

CC Net : Chi phí đầu tư ban đầu của HEN ($)

a, b, c: Các hệ số phụ thuộc vào giá của vật liệu

S min : Số lượng shell tối thiểu

N u,min : Số lượng thiết bị trao đổi nhiệt tối thiểu tính theo phương pháp Pinch

Q Ex : Lượng nhiệt trao đổi tại lò

đốt (KW) A: Diện tích bề mặt trao đổi  nhiệt (m 2 )

S S

A b a CC

N a CC

Q b a

CC  

c

A b a

Chi phí vận hành (OC) và chi phí tổng (TAC)

Chú thích:

OC: Chi phí vận hành ($/năm)

UC hu : Chi phí của tác nhân đun nóng ($/KW.năm)

UC cu : Chi phí của tác nhân làm nguội ($/KW.năm).

ROR: Tốc độ thu hồi vốn (%CC/năm)

OC CC

Chi phí vận hành của HEN được tính:

Chi phí tổng của HEN:

Với:

PL: Thời gian hoạt động của dự án (năm)

Q hu,min : Lượng nhiệt cung cấp bởi tác nhân đun nóng (KW)

Q cu,min : Lượng nhiệt lấy đi bởi tác nhân làm lạnh (KW)

: Hệ số chi phí hằng năm

TAC: Chi phí tổng của HEN ($/năm)

Xây dựng giản đồ Dtmin vs chi phí

Chi phí

DTmin DTmin 

chi phí vận hành (OC)

chi phí đầu tư ban đầu (CC)

phí vận hành và chi phí đầu tư ban đầu

Giá trị Dtmin tối ưu tương ứng với chi phí tổng nhỏ nhất

Chương 5THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRAO ĐỔI NHIỆT

Nguyên lý thiết kế

Thiết kế HEN cần chia quá trình thiết kế thành 2 phần:

Thiết kế HEN theo phương pháp Pinch cần thỏa mãn 3 nguyên tắc:

Nguyên lý thiết kế

Sink

Source

Thiết kế phần Sink

THIẾT KẾ PHẦN SINK

Điểm Pinch

Giản đồ T – H của các thiết

bị tiếp giáp với Pinch

Sơ đồ lưới phần Sink

Thiết kế phần Sink

THIẾT KẾ PHẦN SINK

Thiết kế cho phần Sink với điểm bắt đầu cho dòng nóng và nguội là điểm Pinch (Process Pinch) và thực hiện công việc theo hướng tiến dần ra xa điểm Pinch.

Điểm Pinch

SINK

Với những thiết bị trao đổi nhiệt tiếp giáp với Pinch, người thiết kế cần chú ý đến giá trị CP của các dòng nóng và dòng nguội.

H MW

Hệ thống trao đổi nhiệt trên có Dtmin tối ưu là 10 oC.

Yêu cầu: Xây dựng đường tổ hợp và thiết kế HEN ở Dtmin =

10 oC

H MW

Đường tổ hợp

Biểu diễn các dòng công nghệ

Thiết kế phần Sink

Thiết kế phần Source

Sơ đồ trao đổi nhiệt tổng thể

Sơ đồ trao đổi nhiệt tổng thể

Chia dòng phục vụ thiết kế

Phân nhánh dòng ra

Xây dựng HEN

Phân nhánh  dòng vào

CPra  ≥ CPvào

Đúng

Sai

Sai Đúng

hợp theo mô hình sau:

Mục đích: Đảm bảo chênh lệch nhiệt độ nhỏ nhất trong hệ thống trao trổi nhiệt là DTmin

Số dòng đi vào Pinch lớn

hơn số dòng đi ra khỏi

Pinch  Không thỏa mãn