ỨNG DỤNG PHÂN TÍCH PINCH ĐỂ TỐI ƯU HÓA NĂNG LƯỢNG TRONG NHÀ MÁY SẢN XUẤT AMONIAC

Thu thập các số liệu cần thiết từ một nhà máy sản xuất ammonia có sẵn. Tiến hành mô phỏng trên Aspen Hysys Aspen Plus quy trình sản xuất ammonia này. Tiến hành “kiểm toán năng lượng”: nhận dạng các dòng năng lượng vào và ra khỏi quy trình sản xuất, các thiết bị tiêu thụ năng lượng chính trong nhà máy. Sử dụng kỹ thuật phân tích pinch để đánh giá mức tiết kiệm năng lượng tối đa có thể đạt được. Nhận dạng các nguyên nhân chính gây tổn thất năng lượng trong nhà máy. Đề xuất một số giải pháp để nâng cao mức độ thu hồi nhiệt lượng, cắt giảm lượng năng lượng tiêu thụ trong nhà máy. Đánh giá chi phí và lợi nhuận của các giải pháp đã đề xuất, với sự trợ giúp của phần mềm mô phỏng Aspen Hysys Aspen Plus. 3. Ngày giao nhiệm vụ luận văn: 01 09 2019 4. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 30 05 2020Thu thập các số liệu cần thiết từ một nhà máy sản xuất ammonia có sẵn. Tiến hành mô phỏng trên Aspen Hysys Aspen Plus quy trình sản xuất ammonia này. Tiến hành “kiểm toán năng lượng”: nhận dạng các dòng năng lượng vào và ra khỏi quy trình sản xuất, các thiết bị tiêu thụ năng lượng chính trong nhà máy. Sử dụng kỹ thuật phân tích pinch để đánh giá mức tiết kiệm năng lượng tối đa có thể đạt được. Nhận dạng các nguyên nhân chính gây tổn thất năng lượng trong nhà máy. Đề xuất một số giải pháp để nâng cao mức độ thu hồi nhiệt lượng, cắt giảm lượng năng lượng tiêu thụ trong nhà máy. Đánh giá chi phí và lợi nhuận của các giải pháp đã đề xuất, với sự trợ giúp của phần mềm mô phỏng Aspen Hysys Aspen Plus. 3. Ngày giao nhiệm vụ luận văn: 01 09 2019 4. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 30 05 2020Thu thập các số liệu cần thiết từ một nhà máy sản xuất ammonia có sẵn. Tiến hành mô phỏng trên Aspen Hysys Aspen Plus quy trình sản xuất ammonia này. Tiến hành “kiểm toán năng lượng”: nhận dạng các dòng năng lượng vào và ra khỏi quy trình sản xuất, các thiết bị tiêu thụ năng lượng chính trong nhà máy. Sử dụng kỹ thuật phân tích pinch để đánh giá mức tiết kiệm năng lượng tối đa có thể đạt được. Nhận dạng các nguyên nhân chính gây tổn thất năng lượng trong nhà máy. Đề xuất một số giải pháp để nâng cao mức độ thu hồi nhiệt lượng, cắt giảm lượng năng lượng tiêu thụ trong nhà máy. Đánh giá chi phí và lợi nhuận của các giải pháp đã đề xuất, với sự trợ giúp của phần mềm mô phỏng Aspen Hysys Aspen Plus. 3. Ngày giao nhiệm vụ luận văn: 01 09 2019 4. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 30 05 2020

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

BỘ MÔN KỸ THUẬT CHẾ BIẾN DẦU KHÍ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

ỨNG DỤNG PHÂN TÍCH PINCH ĐỂ TỐI ƯU HÓA NĂNG LƯỢNG TRONG NHÀ MÁY

SẢN XUẤT AMONIAC

SVTH : Nguyễn Thị Cẩm Tú MSSV : 1613976

Lớp : HC16KSTN GVHD: TS Nguyễn Thành Duy Quang

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, 2020

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

1 Tên luận văn: Ứng dụng phân tích pinch để tối ưu hóa năng lượng trong nhà máy sản

xuất Ammonia

2 Nhiệm vụ:

- Thu thập các số liệu cần thiết từ một nhà máy sản xuất ammonia có sẵn

- Tiến hành mô phỏng trên Aspen Hysys / Aspen Plus quy trình sản xuất ammonia

này

- Tiến hành “kiểm toán năng lượng”: nhận dạng các dòng năng lượng vào và ra khỏi

quy trình sản xuất, các thiết bị tiêu thụ năng lượng chính trong nhà máy

- Sử dụng kỹ thuật phân tích pinch để đánh giá mức tiết kiệm năng lượng tối đa có

thể đạt được

- Nhận dạng các nguyên nhân chính gây tổn thất năng lượng trong nhà máy

- Đề xuất một số giải pháp để nâng cao mức độ thu hồi nhiệt lượng, cắt giảm lượng

năng lượng tiêu thụ trong nhà máy

- Đánh giá chi phí và lợi nhuận của các giải pháp đã đề xuất, với sự trợ giúp của

phần mềm mô phỏng Aspen Hysys / Aspen Plus

3 Ngày giao nhiệm vụ luận văn: 01/ 09 / 2019

4 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 30 / 05 / 2020

5 Họ và tên người hướng dẫn: Phần hướng dẫn:

- Nguyễn Thành Duy Quang, BM Chế Biến Dầu khí 100%

Nội dung và yêu cầu LVTN đã được thông qua Bộ môn

Ngày tháng năm 2020

TS Đào Thị Kim Thoa TS Nguyễn Thành Duy Quang

PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN

Người phản biện (chấm sơ bộ):

Đơn vị:

Ngày bảo vệ:

Điểm tổng kết:

Nơi lưu trữ luận văn: Bộ Môn Chế Biến Dầu Khí

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

BỘ MÔN KT CHẾ BIẾN DẦU KHÍ

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc

HỌ VÀ TÊN: NGUYỄN THỊ CẨM TÚ MSSV: 1613976 NGÀNH: KT CHẾ BIẾN DẦU KHÍ LỚP: HC16KSTN

i

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình học tập và làm việc tại trường đại học Bách Khoa – đại học Quốc Gia Tp.HCM, em đã học tập, rèn luyện và tích lũy được không những các kiến thức trong lĩnh vực chuyên môn mà còn đúc kết được những kinh nghiệm về cuộc sống

và về cách làm người Em xin chân thành cảm ơn tất cả quý thầy cô và các bạn tại trường đại học Bách Khoa – đại học Quốc Gia Tp.HCM đã dạy dỗ và giúp đỡ em trong suốt 4 năm qua

Trong suốt quá trình thực hiện đề tài luận văn tốt nghiệp, em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến Tiến sĩ Nguyễn Thành Duy Quang (Giảng viên bộ môn Kỹ thuật chế biến dầu khí – khoa kỹ thuật hóa học – trường đại học Bách Khoa – đại học Quốc Gia Tp.HCM), là giảng viên hướng dẫn chính luận văn tốt nghiệp của em Thầy định hướng cho em chọn đề tài và thầy đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để em phát huy tinh thần tự giác học tập và làm việc Không những thế, thầy còn theo sát và hướng dẫn tận tình trong suốt quá trình em thực hiện đề tài luận văn tốt nghiệp, thầy sẵn sàng giải đáp mọi thắc mắc một cách rõ ràng và chi tiết nhất có thể đối với những vấn đề em chưa hiểu rõ

Đồng thời, em cũng xin gửi lời cảm ơn tới anh Nguyễn Trường Giang, cán bộ của nhà máy đạm Cà Mau, anh là người cung cấp quy trình sản xuất amoniac cũng như các

số liệu liên quan của nhà máy để em thực hiện đề tài Ngoài ra, trong thời gian em thực hiện đề tài anh cũng sẵn sàng hỗ trợ và giải đáp những thắc mắc của em giúp em hoàn thành đề tài một cách tốt nhất có thể

Ngoài ra do giới hạn về thời gian và phạm vi kiến thức của em còn hạn chế nên luận văn chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót do đó em mong sẽ nhận được những đóng góp, chỉ bảo thêm của quý thầy cô để em có thể cải thiện hơn trong tương lai Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý thầy cô của bộ môn Kỹ thuật chế biến dầu khí đã truyền đạt và trang bị cho em những kiến thức hết sức có giá trị và quý báu cho hành trình tương lai sau này của em

ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Mục đích của nghiên cứu này là áp dụng các công cụ tích hợp quy trình để thực hiện việc phân tích, đánh giá và cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng cho một dự án nâng cấp nhà máy sản xuất amoniac đã được tối ưu trước đó Thông thường trong thực

tế, ta có thể chia sơ đồ quy trình công nghệ của nhà máy thành hai phần để phân tích gồm phần nóng và phần lạnh Trong phần nóng, sau khi tiến hành phân tích tích hợp nhiệt bằng phương pháp phân tích pinch ta thu được kết quả cho thấy quy trình đang ở điều kiện hot – end threshold (nghĩa là quy trình hiện tại của nhà máy không đòi hỏi tiện ích nóng bên ngoài) và các tải tiện ích (utility loads) theo yêu cầu của quy trình hiện tại được tìm thấy trùng với các mục tiêu tối thiểu tính toán được Điều này cho thấy rõ ràng rằng phần nóng của nhà máy sản xuất amoniac được lựa chọn để phân tích trong luận văn này đã được tích hợp tốt và không cần thực hiện thêm việc tiết kiệm năng lượng thông qua tích hợp năng lượng quy trình – quy trình nữa Đối với phần lạnh, nghiên cứu nâng cấp một nhà máy sẵn có bị chi phối bởi lượng công của các máy nén hoặc năng lượng tiêu thụ trong hệ thống lạnh Áp dụng kết hợp phân tích pinch và phân tích exergy

để phân tích cho chu trình lạnh hiện tại của nhà máy cho kết quả là một phần công của các máy nén hiện tại đang được sử dụng là không hiệu quả và điều đó có thể được loại

bỏ khi ta thực hiện công việc tích hợp năng lượng một cách tốt hơn Do đó, bằng cách

đề xuất mức nhiệt độ làm lạnh tối ưu ta có thể tiết kiệm được một lượng đáng kể trong tiêu thụ điện năng mà không cần thực hiện bất kỳ khoảng đầu tư mới nào Do đó, phương

án này có tính khả thi cao và khi được áp dụng sẽ giúp nhà máy tiết kiệm được đáng kể chi phí vận hành

iii

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT LUẬN VĂN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC HÌNH v

DANH MỤC BẢNG vii

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu 2

1.3 Bố cục luận văn 3

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

2.1 Khái niệm tích hợp quy trình (Process integration) 4

2.2 Phân tích Pinch (Pinch analysis) 4

2.2.1 Tổng quan về phân tích Pinch 4

2.2.2 Các công cụ chính được sử dụng trong phân tích Pinch 8

2.2.3 Vấn đề ngưỡng (Threshold problems) 15

2.3 Phân tích Exergy 18

2.4 Kết hợp giữa phân tích pinch và phân tích exergy 19

CHƯƠNG 3 QUY TRÌNH THỰC HIỆN 20

3.1 Thuyết minh quy trình 20

3.2 Trích xuất dữ liệu (Data extraction) 28

3.2.1 Dữ liệu vận hành (Operating Data) 28

3.3 Phân tích tích hợp nhiệt cho phần nóng 31

3.3.1 Tối thiểu hóa nhu cầu sử dụng tiện ích 37

iv

3.4 Phân tích tích hợp nhiệt cho phần lạnh 38

3.4.1 Phân tích các mức làm lạnh trong chu trình lạnh amoniac hiện có 41

3.4.2 Phương án nâng cấp cho các mức làm lạnh 43

3.4.3 Tính toán exergy mất mát cho chu trình hiện tại và chu trình sau khi được nâng cấp (Exergy losses calculation for existing and retrofitted cycle) 48

3.4.4 Tính toán chi phí và lợi nhuận của phương pháp cải tiến 49

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN 50

CHƯƠNG 5 TÀI LIỆU THAM KHẢO 51

v

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1: Sơ đồ thể hiện giá trị tiện ích được sử dụng trong nhà máy 7

Hình 2.2: Sơ đồ thể hiện nguyên tắc tối thiểu hóa sử dụng tiện ích 7

Hình 2.3: Các đường cong composite 8

Hình 2.4: Sử dụng các đường cong composite để xác định ΔTmin 10

Hình 2.5: Sử dụng các đường composite để xác định các mục tiêu năng lượng 10

Hình 2.6: Điểm pinch 11

Hình 2.7: Ảnh hưởng của ΔTmin đến khả năng thu hồi nhiệt lượng 13

Hình 2.8: Sự đánh đổi giữa chi phí đầu tư và chi phí năng lượng 14

Hình 2.9: Đường cong grand composite 15

Hình 2.10: Đường cong composite trong điều kiện bình thường 16

Hình 2.11: Process–process/utility–process divider 17

Hình 3.1: Cụm tách loại lưu huỳnh 20

Hình 3.2: Cụm Reforming 21

Hình 3.3: Cụm chuyển hóa CO 22

Hình 3.4: Cụm tách loại CO2 23

Hình 3.5: Cụm metan hóa 24

Hình 3.6: Cụm tổng hợp ammoniac 25

Hình 3.7: Chu trình lạnh amoniac 27

Hình 3.8: Sơ đồ khối nhà máy sản xuất amoniac 29

Hình 3.9: Sơ đồ mạng trao đổi nhiệt hiện tại của nhà máy 35

Hình 3.10: Đường cong composite cho trường hợp cơ sở 36

Hình 3.11: Đường cong grand composite 36

Hình 3.12: Chu trình lạnh của nhà máy Đạm Cà Mau 39

vi

Hình 3.13: Sơ đồ mạng trao đổi nhiệt hiện tại 40

Hình 3.14: Đường cong composite 42

Hình 3.15: Đường cong exergy composite 42

Hình 3.16: Đường cong exergy grand composite 43

Hình 3.17: Đường EGCC 44

Hình 3.18: Cấu tạo của chiller 47

vii

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1: Thông số các thiết bị trao đổi nhiệt của phần nóng 29

Bảng 3.2: Thông số các thiết bị trao đổi nhiệt của phần lạnh 30

Bảng 3.3: Problem Table Analysis ứng với trường hợp cơ sở 32

Bảng 3.4: Sự thay đổi của các chiller sau khi nâng cấp 44

Bảng 3.5: Exergy mất mát của các mức làm lạnh hiện tại và mong muốn 48

Bảng 3.6: Tính toán kinh tế cho phương pháp cải tiến 49

là một ví dụ cho cách tiếp cận thứ nhất để quản lý năng lượng cho nhà máy, trong khi tích hợp quy trình (Process integration) là một ví dụ điển hình cho hướng quản lý năng lượng thứ hai

Amoniac là một trong những hóa chất công nghiệp có lượng tiêu thụ lớn nhất trên thế giới và có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong nông nghiệp Mặc khác, tổng hợp amoniac là một trong những quy trình điển hình đòi hỏi tiêu thụ lượng lớn năng lượng, cần từ 8 đến 12 GCal / tấn ammoniac [2] tùy thuộc vào nguyên liệu thô được sử dụng

và quy trình xử lý Do đó, bất kỳ nỗ lực nào về cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng đều cần nghiên cứu trong thời gian dài về nhiều mặt để xem xét, đánh giá, phân tích cặn

kẽ từ đó đưa ra phương án cải tiến tốt nhất cho nhà máy Cụ thể, một trong những nỗ lực nhằm tối ưu năng lượng tiêu thụ là thực hiện công tác quản lý năng lượng Quản lý năng lượng có thể được thực hiện bằng những phương pháp khác nhau trong các giai đoạn khác nhau tùy vào từng trường hợp cụ thể Việc quản lý năng lượng được thực hiện thông qua những sự thay đổi ở giai đoạn thiết kế sẽ mang lại kết quả tốt nhất, giúp nhà máy tiết kiệm tối đa năng lượng tiêu thụ Tuy nhiên, đây là giải pháp chỉ áp dụng được cho các nhà máy đang trong quá trình xây dựng Đối với các nhà máy sản xuất

2

amoniac sẵn có, hiệu quả sử dụng năng lượng vẫn có thể được cải thiện thông qua tích hợp quy trình Tuy nhiên, công tác tích hợp quy trình được thực hiện với mục tiêu tận dụng tối đa hệ thống hiện có để tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ cho nhà máy

Trong các phương pháp được dùng để tích hợp quy trình, phân tích pinch là phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất do đây là một phương pháp đơn giản, dễ ứng dụng và mang lại hiệu quả cải thiện năng lượng lớn khi áp dụng vào thực tế Hiệu quả tiết kiệm năng lượng mà phương pháp mang lại đã được chứng minh thông qua rất nhiều dự án lớn và thành công trên thế giới

Ngoài ra, phân tích exergy cũng là một phương pháp được đánh giá cao và được

sử dụng rộng rãi trong việc quản lý năng lượng cho các nhà máy với mục tiêu tối ưu năng lượng sử dụng Cụ thể hơn, phân tích exergy thường được sử dụng trong các quy trình mà tập trung chủ yếu vào công hoặc điện như các trạm phát điện và các quy trình nhiệt độ thấp

Do đó, mục đích của nghiên cứu này là ứng dụng phương pháp phân tích pinch và ứng dụng kết hợp phân tích pinch với phân tích exergy để tối ưu hóa năng lượng cho nhà máy sản xuất amoniac sẵn có

1.2 Mục tiêu

Ứng dụng phương pháp phân tích pinch và ứng dụng kết hợp phương pháp phân tích pinch với phương pháp phân tích exergy vào một nhà máy thực tế ở quy mô công nghiệp để phân tích, đánh giá việc sử dụng năng lượng hiện tại của nhà máy đồng thời đưa ra các giải pháp nhằm tối ưu năng lượng sử dụng cho nhà máy nếu việc sử dụng năng lượng hiện tại là chưa hiệu quả

Không giống như một thiết kế mới, mọi sự thay đổi đều hướng đến việc tiết kiệm tối đa năng lượng sử dụng mà không có bất cứ ràng buộc nào, luận văn bắt đầu với một quy trình đã được tối ưu hóa trước đó Mục tiêu của luận văn này là ứng dụng phương pháp phân tích pinch vào phần nóng của nhà máy sản xuất amoniac để tích hợp quy trình nhằm giảm năng lượng tiêu thụ với chi phí đầu tư thấp nhất Điều này được thực hiện bằng cách tối thiểu hóa việc sử dụng các tiện ích (utilities) và tối đa hóa quá trình truyền nhiệt quy trình – quy trình giữa các dòng nóng và các dòng lạnh hiện có Đồng thời, ứng

3

dụng phương pháp phân tích pinch kết hợp với phương pháp phân tích exergy vào phần lạnh của nhà máy để phân tích, đánh giá và đưa ra giải pháp nhằm tiết kiệm công của máy nén trong chu trình lạnh của nhà máy Điều này được thực hiện bằng cách tăng nhiệt độ của các dòng môi chất lạnh hiện có trong chu trình

Nghiên cứu này được hi vọng sẽ đóng góp vào lĩnh vực quản lý năng lượng và vận hành của hệ thống trao đổi nhiệt, đồng thời khuyến khích việc sử dụng năng lượng một cách hợp lý và hiệu quả hơn

1.3 Bố cục luận văn

Trong phần I, luận văn giới thiệu về đề tài nghiên cứu bao gồm đặt vấn đề và mục tiêu của đề tài Ở phần tiếp theo của luận văn, một vài vấn đề lý thuyết liên quan đến đề tài sẽ được đề cập và được tổng hợp lại để có cơ sở cho việc áp dụng các phương pháp phân tích pinch và phương pháp phân tích exergy vào nhà máy Quy trình thực hiện chi tiết sau đó được đưa ra và áp dụng vào trường hợp nhà máy sản xuất amoniac hiện có

để mô tả quy trình áp dụng kỹ thuật phân tích pinch và kỹ thuật phân tích exergy nhằm phân tích, đánh giá và tối ưu hóa năng lượng cho nhà máy Cấu hình của nhà máy được lựa chọn để phân tích trong luận văn này là quy trình sản xuất amoniac của nhà máy Đạm Cà Mau Quy trình công nghệ của nhà máy được mô phỏng lại bằng phần mềm Aspen Hysys với các thông số về mạng trao đổi nhiệt, thông số thiết bị, lưu lượng cũng như thành phần của các dòng trong quy trình gần với thông số thực tế vận hành tại nhà máy nhất có thể Phần cuối của luận văn sẽ tổng kết lại các kết quả thu được sau khi đã hoàn thành quá trình phân tích, đánh giá và cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng cho nhà máy

4

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Khái niệm tích hợp quy trình (Process integration)

Thuật ngữ “tích hợp quy trình” (“process integration (PI)”) có thể được hiểu theo nhiều nghĩa khác nhau tùy thuộc vào mục đích và phạm vi áp dụng Tích hợp quy trình

có thể được áp dụng cho một hệ trao đổi nhiệt đơn giản nhằm thu hồi nhiệt từ các dòng sản phẩm; tối ưu cho các thiết bị phản ứng; tích hợp một số cụm sản xuất trong nhà máy lọc dầu; hoặc tích hợp hoàn chỉnh quy trình sản xuất cho một nhà máy công nghiệp phức tạp

Trong luận văn này, thuật ngữ “tích hợp quy trình” được dùng với mục đích phân tích và tối ưu hóa năng lượng cho nhà máy và được áp dụng cho một quy trình công nghiệp phức tạp Do đó, trong luận văn này, thuật ngữ “tích hợp quy trình” có thể được định nghĩa là: “Tất cả các cải tiến được thực hiện cho hệ thống quy trình, các đơn vị vận hành cấu thành chúng và sự tương tác giữa chúng để tối ưu hiệu quả sử dụng năng lượng cho nhà máy”

Thêm vào đó, nếu tích hợp quy trình được kết hợp với các công cụ khác như mô phỏng quy trình sẽ mang lại một cách tiếp cận hữu hiệu cho phép các kỹ sư phân tích có

hệ thống một quy trình công nghiệp và các tương tác giữa các cụm khác có liên quan trong nhà máy

Kỹ thuật tích hợp quy trình có thể được áp dụng để giải quyết các vấn đề nhức nhối trong các nhà máy công nghiệp như:

- Tiết kiệm năng lượng và giảm lượng phát thải của khí nhà kính

- Tối ưu hệ thống tiện ích cho nhà máy

- Giảm chi phí đầu tư cho nhà máy

- Giảm lượng chất thải công nghiệp

- Giảm thiểu lượng nước sử dụng và nước thải

2.2 Phân tích Pinch (Pinch analysis)

2.2.1 Tổng quan về phân tích Pinch

Phân tích pinch là một trong những phương pháp được ứng dụng rộng rãi nhất hiện nay để tích hợp quy trình cho các nhà máy nhằm mục đích nâng cao hiệu quả sử dụng

5

năng lượng Đây được xem là công cụ có tính thực tiễn cao nhất và hiệu quả tiết kiệm năng lượng mà phương pháp phân tích pinch mang lại đã được kiểm chứng và được công nhận trong nhiều ngành công nghiệp quan trọng như hóa chất, hóa dầu, lọc hóa dầu, thực phẩm…

Trong những năm gần đây, phân tích pinch không ngừng được cải thiện và dần trở thành một kỹ thuật hoàn hảo để tích hợp quy trình Nó cung cấp các công cụ cho phép chúng ta phân tích các dòng năng lượng trong một quy trình và xác định các giải pháp kinh tế nhất để tối đa hóa việc thu hồi nhiệt lượng và tối thiểu hóa nhu cầu sử dụng tiện ích bên ngoài (ví dụ: hơi nước, nước giải nhiệt, dung môi lạnh…) Cách tiếp cận này có thể được ứng dụng trong các dự án nhằm mục đích tiết kiệm năng lượng cho quy trình sản xuất hoặc cho hệ thống tiện ích của các nhà máy mới hoặc các dự án nâng cấp nhà máy sẵn có

Đối với các nhà máy mới, khoảng thời gian lý tưởng nhất để áp dụng phân tích pinch là trong quá trình lên kế hoạch cho các sự điều chỉnh quy trình nhằm mục đích tối

ưu hóa năng lượng sử dụng, vì đây là giai đoạn ước tính hầu hết các khoản đầu tư chính cần thiết cho quy trình sản xuất, và trước khi hoàn thiện bản thiết kế cuối cùng cho nhà máy Trong trường hợp này, hiệu quả sử dụng năng lượng được cải thiện là tối đa, vì trong một thiết kế mới thì không có sự ràng buộc về cấu hình nhà máy, quy trình công nghệ cũng như là các thông số công nghệ liên quan khác Đồng thời, ứng dụng phân tích pinch ở trường hợp này còn giúp giảm đáng kể chi phí đầu tư Từ đó, mang lại hiệu quả kinh tế tốt nhất cho nhà máy

Tuy nhiên, trong một dự án nâng cấp nhà máy, cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng thường đòi hỏi thêm chi phí đầu tư phát sinh Trong trường hợp này, phân tích pinch có thể được sử dụng với mục đích cụ thể là tối thiểu thời gian hoàn vốn Kỹ thuật phân tích pinch cho phép chúng ta đánh giá đồng thời sự kết hợp giữa các ý tưởng của một dự án Sau đó, chiến lược đầu tư cuối cùng cho các phương án cải tiến khả dĩ là đảm bảo rằng sự phát triển của nhà máy là liên tục và đồng bộ

Phân tích pinch là một phương pháp bao gồm một tập hợp các kỹ thuật có cấu trúc

để áp dụng có hệ thống các khía cạnh của định luật nhiệt động thứ nhất và một số khía cạnh của định luật nhiệt động thứ hai Việc áp dụng các kỹ thuật này cho phép kỹ sư có

6

được cái nhìn cơ bản và sâu sắc về sự tương tác nhiệt giữa hệ thống quy trình công nghệ hóa học và các hệ thống tiện ích xung quanh chúng Từ đó, giúp cải thiện sự tiêu thụ tiện ích tổng cho nhà máy đồng thời giúp kỹ sư thiết lập cấu hình quy trình công nghệ

và hệ thống tiện ích sao cho sự tương tác giữa chúng là tối ưu nhất

Các hiệu quả điển hình có thể đạt được khi áp dụng phương pháp phân tích pinch vào quy trình sản xuất cho nhà máy [4]:

- Tiết kiệm năng lượng tiêu thụ: 10% - 35%

- Tiết kiệm lượng nước tiêu thụ: 25% - 40%

- Tiết kiệm lượng hydro tiêu thụ: lên đến 20%

Phương pháp phân tích pinch được áp dụng rộng rãi trong các dự án cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng là nhờ vào sự đơn giản của các khái niệm trong cách tiếp cận của phương pháp Nguyên tắc của phương pháp pinch là phân tích các dòng tiện ích dựa trên hai khía cạnh là số lượng và chất lượng của dòng tiện ích đó, từ đó giúp xác định chi phí cần thiết cho quy trình

Nguyên tắc chung trong sử dụng tiện ích của các nhà máy được thể hiện ở hình 2.1

là sử dụng các tiện ích có giá trị cao cho quy trình và thải bỏ chúng khi giá trị sử dụng không còn đáp ứng được yêu cầu chất lượng Ví dụ, xét trên khía cạnh năng lượng, nhà máy có thể đang đốt khí thiên nhiên đắt tiền để cung cấp nhiệt lượng ở nhiệt độ cao cho quy trình và nhiệt lượng ở nhiệt độ thấp hơn được loại bỏ bằng nước giải nhiệt hoặc không khí

Phân tích pich như một hồ sơ theo dõi được thiết lập trong tiết kiệm năng lượng Trong tất cả các trường hợp, nguyên tắc cơ bản đứng sau cách tiếp cận này là khả năng kết hợp các nhu cầu riêng lẻ của một tiện ích với một nguồn cung phù hợp Tính phù hợp của việc kết hợp phụ thuộc vào chất lượng yêu cầu và chất lượng cung cấp Trong khái niệm quản lý tiện ích, tiện ích có thể là nhiệt và chất lượng của nó được phản ánh bởi nhiệt độ Nhờ vào việc tối đa hóa sự kết hợp giữa các nguồn cung và các nhu cầu sử dụng, việc tiêu thụ tiện ích sẽ được tối thiểu hóa (hình 2.2)

7 Hình 2.1: Sơ đồ thể hiện giá trị tiện ích được sử dụng trong nhà máy

Hình 2.2: Sơ đồ thể hiện nguyên tắc tối thiểu hóa sử dụng tiện ích

8

2.2.2 Các công cụ chính được sử dụng trong phân tích Pinch

a Các đường cong composite (Composite Curves)

Một trong những công cụ cơ bản nhất được dùng trong phân tích pinch là các đường cong composite (Composite curves) Các đường này được sử dụng để xác định mục tiêu năng lượng tối thiểu mà một quy trình nhất định tiêu thụ Các đường cong composite này thể hiện lượng nhiệt sẵn có (đường cong composite nóng (hot composite curve)) và nhu cầu sử dụng nhiệt của quy trình (đường cong composite lạnh (cold composite curve)) Khoảng chồng lắp giữa hai đường cong composite nóng và lạnh thể hiện lượng nhiệt tối đa có thể thu hồi, tận dụng của quy trình Hình 2.3 thể hiện các đường cong composite của một quy trình sản xuất

Hình 2.3: Các đường cong composite

9

Các đường cong composite được cấu thành từ các dòng quy trình Những dòng quy trình này được xác định từ các dữ liệu về cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng Những dữ liệu này có thể được thu thập từ nhiều nguồn khác nhau như: thông số của nhà máy, dữ liệu thiết kế hoặc số liệu mô phỏng Những dòng quy trình sau đó được chia thành “sources” và “sinks”

Một “source” tương ứng là một dòng mà có nhiệt sẵn có để thu hồi, hay nói cách khác là dòng cần phải được làm lạnh để thỏa mãn những nhu cầu của quy trình Một

“sink” đại diện cho một dòng mà phải gia nhiệt Vì năng lượng có thể thu hồi từ

“sources”, do đó, loại dòng này được gọi là dòng nóng Tương tự vì “sinks” cần được cung cấp nhiệt, vì vậy, loại dòng này được gọi là dòng lạnh Công đoạn trên được gọi là trích xuất dữ liệu (data extraction) Đây là công đoạn đầu tiên và cực kỳ quan trọng trong phân tích pinch

b Xác định các mục tiêu năng lượng (Determining the energy targets)

Để xác định được các mục tiêu năng lượng tối thiểu cần cung cấp cho quy trình, đường cong composite lạnh được dịch chuyển dần dần về phía đường cong composite nóng (hình 2.4) Chú ý rằng trục entanpy (trục hoành) đo các số liệu liên quan, có nghĩa

là chúng đang thể hiện lượng entanpy thay đổi của các dòng quy trình Dịch chuyển một đường cong composite theo chiều ngang sẽ không làm thay đổi dữ liệu dòng Khoảng cách nhỏ nhất giữa hai đường cong này được định nghĩa là độ chênh lệch nhiệt độ nhỏ nhất, ΔTmin (hình 2.4) Giá trị này thể hiện độ chênh lệch nhiệt độ nhỏ nhất mà sẽ được chấp nhận trong một thiết bị trao đổi nhiệt

Khoảng chồng lắp giữa các đường cong composite nóng và lạnh thể hiện lượng nhiệt tối đa có thể thu hồi cho quy trình (hình 2.5) Từ đó, các nhu cầu gia nhiệt và giải nhiệt còn lại được xác định tương ứng là yêu cầu tiện ích nóng tối thiểu và đòi hỏi tiện ích lạnh nhỏ nhất cần phải cung cấp cho quy trình ứng với chênh lệch nhiệt độ nhỏ nhất

đã chọn

Nhờ vào công cụ phân tích pinch, kỹ sư có thể thiết lập được các mục tiêu tiêu thụ năng lượng tối thiểu cho quy trình trước khi thiết kế mạng trao đổi nhiệt Điều này cho

10

phép các kỹ sư nhanh chóng xác định được khoảng năng lượng có thể tiết kiệm cho nhà máy, ở giai đoạn đầu của phân tích

Hình 2.4: Sử dụng các đường cong composite để xác định ΔTmin

Hình 2.5: Sử dụng các đường composite để xác định các mục tiêu năng lượng

Theo nguyên tắc, vùng trên pinch (phía bên phải hình 2.6) chỉ đòi hỏi tiện ích nóng, trong khi vùng dưới pinch (phía bên trái của điểm pinch) chỉ yêu cầu tiện ích lạnh Để thiết kế mạng trao đổi nhiệt thỏa nguyên tắc truyền nhiệt pinch ta cần tuân thủ nguyên tắc vàng trong thiết kế như sau: Tuyệt đối không truyền nhiệt giữa một dòng nóng trên pinch và một dòng lạnh dưới pinch Nếu truyền nhiệt chéo pinch như vậy, ta sẽ không thể đạt được mục tiêu năng lượng mong muốn Thay vào đó, ta cần thay lượng nhiệt truyền chéo pinch này bằng một lượng tương đương của tiện ích nóng trên pinch (ví dụ hơi nước cao áp, hơi nước thấp áp…) và tăng lượng tiêu thụ của tiện ích lạnh dưới pinch (ví dụ không khí, nước lạnh…)

Hình 2.6: Điểm pinch

12

Chúng ta sẽ tạo ra một mức năng lượng không cần thiết (lượng α) xuyên suốt toàn

bộ hệ thống, từ tiện ích nóng tới tiện ích lạnh

Do đó, để đạt được mục tiêu năng lượng mong muốn, chúng ta phải tìm ra những kết hợp phù hợp cho lượng nhiệt này ở bên phía nóng của pinch chứ không phải ở bên phía lạnh Bằng việc phân tích các đường cong composite, các kỹ sư có thể nhanh chóng xác định những sự kết hợp nào là không phù hợp và đó chính là nguyên nhân dẫn đến việc tăng sử dụng các tiện ích bên ngoài

d Lựa chọn giá trị ΔT min

Trong thiết kế quy trình, thường giả sử rằng có sự đánh đổi giữa chi phí năng lượng và chi phí đầu tư Mặc dù nhìn chung kỹ thuật pinch được ứng dụng với mục đích

là tiết kiệm cả chi phí năng lượng và chi phí đầu tư Tuy nhiên, thông thường tiết kiệm chi phí năng lượng sẽ dẫn đến tăng chi phí đầu tư và ngược lại, điều đó được thể hiện rõ nhất trong trường hợp nâng cấp nhà máy

Điều này có thể được chứng minh bằng việc xem xét các đường cong composite Khi khoảng cách giữa đường cong composite lạnh và đường cong composite nóng (ΔTmin) tăng lên, khoảng chồng lắp giữa các đường cong composite này bị giảm xuống,

do đó khả năng thu hồi nhiệt từ các dòng nóng cho các dòng lạnh cũng sẽ giảm xuống,

và kết quả là tăng nhu cầu sử dụng tiện ích (hình 2.7)

Đồng thời, có sự tăng lực truyền nhiệt (the temperature – driving forces) giữa các dòng nóng và lạnh (khoảng cách dọc giữa các đường cong), dẫn đến độ chênh lệch nhiệt

độ yêu cầu trong các thiết bị trao đổi nhiệt tăng lên và do đó các thiết bị này nhỏ hơn hoặc ít phức tạp hơn Trong trường hợp này, chi phí năng lượng tăng lên đã được bù đắp bởi chi phí đầu tư cho các thiết bị trao đổi nhiệt giảm xuống Hình 2.8 cho thấy mối quan hệ tổng quát giữa chi phí đầu tư và chi phí năng lượng như một hàm của ΔTmin Do

đó, tồn tại một giá trị ΔTmin tối ưu, ở giá trị ΔTmin này, tổng chi phí (đầu tư và năng lượng) cho nhà máy là thấp nhất

13

Hình 2.7: Ảnh hưởng của ΔTmin đến khả năng thu hồi nhiệt lượng

e Đường cong grand composite (The grand composite curve)

Hầu hết các quy trình công nghiệp trong thực tế đều sử dụng một vài mức tiện ích khác nhau để gia nhiệt và giải nhiệt cho các dòng quy trình (Ví dụ: hơi nước ở các áp suất khác nhau, dầu gia nhiệt, khí thải từ các lò đốt, nước lạnh, môi chất lạnh…) Để tối thiểu chi phí năng lượng, các thiết bị trao đổi nhiệt được thiết kế với mục đích ưu tiên

sử dụng các mức tiện ích rẻ (ví dụ nước lạnh) thay vì tiêu thụ các mức tiện ích đắt tiền hơn (ví dụ môi chất lạnh)

Mặc dù giản đồ của các đường cong composite cung cấp cho chúng ta một cái nhìn tổng quan về các mục tiêu năng lượng, nhưng chúng không thể hiện lượng năng lượng

mà các mức tiện ích cụ thể cần phải cung cấp để thỏa mãn các nhu cầu của quy trình Thay vào đó, tồn tại một công cụ khác được sử dụng để thiết lập các mục tiêu tiêu thụ cho từng mức tiện ích khác nhau này đó là đường cong grand composite (the grand composite curve)

14

Hình 2.8: Sự đánh đổi giữa chi phí đầu tư và chi phí năng lượng

Một sự điều chỉnh toán học nhỏ phải được thực hiện cho các đường cong composite trước khi chuyển đổi chúng thành đường cong grand composite Các đường cong composite nóng và composite lạnh riêng biệt sẽ được dịch chuyển về phía nhau: đối với đường cong composite nóng, sẽ dịch chuyển xuống ½ ΔTmin và với đường cong composite lạnh, sẽ được dịch chuyển lên ½ ΔTmin cho đến khi chúng tiếp xúc với nhau tại điểm pinch Các đường cong có được bằng việc dịch chuyển các đường cong composite nóng và lạnh theo ΔTmin được gọi là các đường cong đã dịch chuyển (Shifted curves) và không có bất kì ý nghĩa vật lý nào Chúng đơn thuần chỉ là một bước trong công đoạn xây dựng đường cong grand composite Bước thực hiện này nhằm đảm bảo rằng kết quả thể hiện trên đường cong grand composite là dòng nhiệt yêu cầu tại điểm pinch bằng 0

Đường cong grand composite được hình thành từ sự chênh lệch tải nhiệt (heat load) giữa các đường cong composite nóng và lạnh, và được xem như là một hàm của nhiệt

độ Nó thể hiện một cách sinh động các dòng nhiệt xuyên suốt quy trình – từ tiện ích nóng đến các phần của quy trình phía trên điểm pinch, và từ quy trình phía dưới điểm pinch tới tiện ích lạnh

15

Bởi vì đường cong grand composite thể hiện các dòng nhiệt trong một quy trình lý tưởng, nên không có dòng nhiệt đi qua điểm pinch, mà cho hình dạng chung của đường cong Điểm pinch ở đây là vị trí tiếp xúc giữa đường cong và trục tung (trục nhiệt độ) Hình 2.9 trình bày một ví dụ thể hiện các mức tiêu thụ ứng với từng loại tiện ích khác nhau trên đường cong grand composite

Hình 2.9: Đường cong grand composite

2.2.3 Vấn đề ngưỡng (Threshold problems)

Như đã đề cập trước đó, phân tích pinch là phương pháp ứng dụng các khía cạnh của định luật nhiệt động thứ nhất và một số khía cạnh của định luật nhiệt động thứ hai

để tích hợp quy trình Nếu hệ thống nhiệt được thể hiện trên giản đồ pinch (giản đồ entanpy – nhiệt độ) bởi các đường cong composite thì khoảng cách nhỏ nhất giữa các đường cong composite nóng và lạnh này (xét theo chiều dọc) đại diện cho độ chênh lệch nhiệt độ tối thiểu trong các thiết bị trao đổi nhiệt tức ΔTmin Điểm mà thỏa mãn giá trị chênh lệch nhiệt độ tối thiểu này của các thiết bị trao đổi nhiệt trong quy trình biểu thị điểm tới hạn của quá trình thu hồi nhiệt lượng và được gọi là điểm pinch Điểm pinch chia quy trình thành hai vùng nhiệt động riêng biệt là vùng trên pinch và vùng dưới pinch Tuy nhiên, trong thực tế, chúng ta không thể đạt được điểm pinch cho tất cả các

hệ thống nhiệt Đối với các hệ thống nhiệt như vậy sẽ tồn tại một giá trị ΔTmin mà tại đó

Hình 2.10: Đường cong composite trong điều kiện bình thường

Trong threshold problems, đây là trường hợp đặc biệt vì sẽ có một trong hai đường cong composite nằm hoàn toàn trong vùng của đường cong còn lại Cụ thể, ở trường hợp đường cong composite nóng nằm hoàn toàn trong vùng của đường cong composite lạnh, đồ thị lúc này sẽ chỉ còn 2 vùng là vùng cần gia nhiệt và vùng truyền nhiệt, trường hợp này được gọi là cold-end threshold Ngược lại, đối với trường hợp đường cong

17

composite lạnh nằm hoàn toàn trong vùng của đường cong composite nóng, giản đồ lúc này sẽ tồn tại 2 vùng là vùng cần giải nhiệt và vùng truyền nhiệt, trường hợp này được gọi là hot-end threshold Điểm mà phân chia các đường cong composite thành hai vùng như vậy được gọi là process–process/utility–process divider Hình 2.11 thể hiện đường phân chia quy trình – quy trình/tiện ích – quy trình (process–process/utility–process divider) ứng với trường hợp hot-end threshold

Hình 2.11: Process–process/utility–process divider

b Retrofit of threshold problems (Nâng cấp cho các vấn đề ngưỡng)

Nghiên cứu nâng cấp cho các mạng trao đổi nhiệt liên quan đến threshold problems được thực hiện dựa trên cơ sở truyền nhiệt dọc Như đã đề cập ở trên, trong threshold problems sẽ có hai trường hợp tương ứng xảy ra là hot-end threshold và cold-end threshold và phương pháp nâng cấp mạng trao đổi nhiệt ứng với từng trường hợp là khác nhau

Do đó, cần phải xem xét, phân tích và đánh giá mạng trao đổi nhiệt một cách cẩn thận để đưa ra giải pháp cải tiến tốt nhất cho quy trình Ví dụ, xem xét thiết kế một thiết

bị trao đổi nhiệt quy trình – quy trình mới cho mạng trao đổi nhiệt có thể dẫn đến việc

18

loại bỏ thiết bị gia nhiệt và cũng như giảm nhiệm vụ làm lạnh tương ứng cho thiết bị giải nhiệt, mà truyền nhiệt từ trên process–process/utility–process divider xuống dưới process–process/utility–process divider Bằng cách sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt mới này thay cho việc sử dụng các thiết bị gia nhiệt hoặc giải nhiệt riêng lẽ sẽ dẫn đến cải thiện nhiệt động lực học nhờ vào việc thay thế tiêu thụ tiện ích bằng thu hồi nhiệt quy trình

2.3 Phân tích Exergy

Đối với các chu trình lạnh, thông thường, việc phân tích, đánh giá hiệu suất của những chu trình này được thực hiện bằng phương pháp năng lượng dựa trên định luật nhiệt động thứ nhất (cân bằng năng lượng) Nói cách khác, hiệu suất của chu trình lạnh được đại diện bằng hệ số hiệu suất (COP) và được định nghĩa là tỷ lệ giữa tải của thiết

bị bay hơi (evaporator load) và công suất tiêu thụ của máy nén Tuy nhiên, phương pháp này đã cho thấy hạn chế của nó khi chỉ liên quan đến bảo toàn năng lượng và do đó nó không thể chỉ ra cách thức hoặc nơi xảy ra sự bất thuận nghịch Vì vậy, phương pháp này không xác định được tổn thất năng lượng thật sự có trong một hệ thống hoặc một quy trình

Thay vào đó, một phương pháp khác mà hiện nay đang được sử dụng phổ biến với mục đích phân tích, đánh giá và giúp cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng cho các chu trình lạnh đó là phương pháp phân tích exergy Phương pháp này dựa trên nội dung của

cả hai định luật nhiệt động thứ nhất và thứ hai, cho phép đánh giá mức độ mất mát năng lượng trong từng thành phần của chu trình lạnh và đánh giá chất lượng của năng lượng

sử dụng trên quan điểm nhiệt động Thực hiện phân tích exergy cho phép trình bày rõ ràng và giúp các kỹ sư hiểu sâu sắc hơn về các quá trình nhiệt động bằng cách định lượng ảnh hưởng của từng sự bất thuận nghịch xảy ra trong chu trình Do đó, hiệu suất exergy, dựa trên định luật nhiệt động thứ hai và xét đến tất cả các tổn thất xuất hiện trong chu trình lạnh, như một phép đo lường thể hiện hiệu quả đại diện cho hiệu suất của một chu trình lạnh

Exergy của một chu trình lạnh được định nghĩa là lượng công lý thuyết lớn nhất hay lượng năng lượng tối đa có thể khai thác được do sự biến đổi từ một trạng thái ban đầu nào đó của hệ thống đến trạng thái chết Thêm vào đó, exergy không chỉ đơn giản

19

là một thuộc tính nhiệt động mà nó là thuộc tính chung của một hệ thống và môi trường tham chiếu Thực hiện phân tích exergy sẽ giúp khắc phục được những hạn chế của định luật nhiệt động thứ nhất Do đó, phân tích exergy là một phương pháp hữu hiệu để phân tích và đánh giá năng lượng sử dụng trên cả hai khía cạnh quan trọng nhất là số lượng

và chất lượng

Trạng thái chết là trạng thái ứng với trường hợp khi một hệ thống đang ở trạng thái cân bằng nhiệt và cơ với môi trường xung quanh Khi hệ thống ở trạng thái này, thông thường hệ vẫn tồn tại một giá trị năng lượng tổng nào đó tuy nhiên lượng năng lượng có thể sử dụng được thì bằng 0

2.4 Kết hợp giữa phân tích pinch và phân tích exergy

Mặc dù phân tích pinch và phân tích exergy được dùng như hai công cụ riêng biệt

để cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng cho hệ thống quy trình Tuy nhiên, khi hai phương pháp này được kết hợp lại với nhau chúng sẽ mang lại kết quả mạnh mẽ hơn rất nhiều trong việc cải thiện hiệu quả tiêu thụ năng lượng, do chúng hình thành một công

cụ cho phép nghiên cứu đồng thời nhiệt và công Đặc biệt trong các hệ thống nhiệt độ thấp, nơi mà nhìn chung các yêu cầu về gia nhiệt và giải nhiệt đều trực tiếp ảnh hưởng đến công

Ý nghĩa quan trọng nhất cho sự kết hợp giữa phương pháp phân tích pinch và phương pháp phân tích exergy là nghiên cứu nâng cấp các quy trình hoạt động ở nhiệt

độ thấp và các chu trình lạnh Do đó, trong nghiên cứu này, chúng ta sẽ áp dụng kết hợp các công cụ phân tích pinch và phân tích exergy vào chu trình lạnh nhằm mục đích giảm lượng exergy mất mát từ đó tiết kiệm được công của máy nén cho chu trình lạnh của nhà máy sản xuất amoniac

20

CHƯƠNG 3 QUY TRÌNH THỰC HIỆN

3.1 Thuyết minh quy trình

Cấu hình nhà máy sản xuất amoniac được dùng để áp dụng kỹ thuật phân tích pinch

và kỹ thuật phân tích exergy nhằm phân tích, đánh giá và tối ưu năng lượng trong luận văn này là cấu hình của nhà máy Đạm Cà Mau Quy trình công nghệ của nhà máy được trình bày sau đây là quy trình đã được mô phỏng lại bằng phần mềm Aspen Hysys, quy trình này gồm các cụm chính sau:

(1) Cụm tách loại lưu huỳnh (Desulphurization section):

Hình 3.1: Cụm tách loại lưu huỳnh

Quá trình tách loại lưu huỳnh và các hợp chất của nó ra khỏi dòng khí thiên nhiên được thực hiện theo hai bước Đầu tiên, tất cả các hợp chất lưu huỳnh hữu cơ được chuyển hóa thành khí H2S trong thiết bị Hydrogenator (R04201) Tiếp đến dòng khí H2S này được loại bỏ khỏi khí thiên nhiên bằng cách hấp thụ trên xúc tác ZnO khi đi qua thiết bị hấp thụ lưu huỳnh (Sulphur Absorber) (R04202) (Hình 3.1)

(2) Cụm Reforming (Reforming section):

Quá trình reforming của hỗn hợp khí thiên nhiên và hơi nước được thực hiện theo hai bước Đầu tiên, hỗn hợp này được cấp nhiệt trong phần đối lưu của thiết bị reformer chính (Primary Reformer) Hỗn hợp khí và hơi sau đó sẽ phản ứng trong thiết bị reformer chính (F04201) và reformer thứ cấp (Secondary Reformer) (F04203) Không khí sau khi

22

đã tiền gia nhiệt sẽ được đưa vào thiết bị reformer thứ cấp Dòng không khí này có hai nhiệm vụ quan trọng trong quy trình Một mặt, không khí đóng vai trò như một nguồn cung cấp N2 cần thiết cho quá trình tổng hợp amoniac sau đó; mặt khác, đây là nguồn cung cấp O2 để phản ứng với H2 và CH4 nhằm cung cấp nhiệt cho phản ứng reforming hơi nước (Hình 3.2)

Dòng khí thải có nhiệt độ cao được tạo ra ở phần bức xạ của thiết bị reformer chính được tận dụng với mục đích gia nhiệt sơ bộ cho các dòng khí nguyên liệu khác trong khu vực thu hồi nhiệt thải

(3) Cụm chuyển hóa CO (CO conversion section):

Hình 3.3: Cụm chuyển hóa CO

Quá trình chuyển hóa CO thành CO2 được thực hiện qua hai giai đoạn: Giai đoạn phản ứng tỏa nhiệt diễn ra ở thiết bị HT CO Converter (R4204) và giai đoạn phản ứng đoạn nhiệt diễn ra trong thiết bị LT CO Converter (R4205) (Hình 3.3)

Phản ứng chuyển hóa CO ở nhiệt độ cao giúp tăng tốc độ của phản ứng Mặt khác,

ở nhiệt độ thấp, cân bằng hóa học sẽ dịch chuyển về phía mong muốn giúp tăng độ chuyển hóa của CO thành CO2

(4) Cụm tách loại CO2 bằng dung môi MDEA (MDEA CO2 removal section):

Phần lớn khí CO2 được tạo ra sau cụm chuyển hóa CO được loại bỏ khỏi dòng khí nguyên liệu bằng phương pháp hấp thụ với dung môi là dung dịch MDEA (45% MDEA, 5% Piperazine) khi đi qua thiết bị hấp thụ CO2 (CO2 Absorber) (C4302) Sau khi đã hấp