Tài liệu CHƯƠNG 1: MÔ PHỎNG CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT POLYPROPYLENE BẰNG PHẦN MỀM HYSIS. doc

TÍNH CÁC GIÁ TRỊ BAN ĐẦU CHO QUÁ TRÌNH MÔ PHỎNG Thực tế nhà máy có hệ thống điều khiển lưu lượng từng dòng nhưng trong mô phỏng tỉnh ta phải tính toán các số liệu ban đầu để đưa vào mô

CHƯƠNG 1

MÔ PHỎNG CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT POLYPROPYLENE BẰNG PHẦN MỀM

HYSIS 1.1 Những thông số ban đầu: [29]

- Công suất của nhà máy : 150.000 (tấn/năm);

- Dải công suất hoạt động của nhà máy : (50 ÷ 100)% công suất thiết kế;

- Nhà máy hoạt động : 8000 (giờ / năm);

- Xúc tác hiệu suất cao, tiêu thụ tối đa đạt (0,033 ÷ 0,05) kg/tấn sản phẩm; Yêu cầu đặc tính kỹ thuật của nguyên liệu Propylen

Nguyên liệu propylen từ phân xưởng thu hồi propylen (PRU) của Nhà máy lọc dầu sẽ được chuyển đến phân xưởng PP bằng đường ống Phần propylen nhập sẽ được chuyển đến các bể chứa đặt tại khu bể chứa sản phẩm của Nhà máy Các đặc tính và điều kiện biên của nguyên liệu được chỉ ra dưới đây:

C4, C5, Hydrocarbon no, phần triệu thể tích, tối đa

200

Độc tố:

Lưu huỳnh tổng số, phần triệu khối lượng tối

đa,

1

 Đặt tính kỹ thuật khí chứa Hydrogen:

Khí chứa hydro từ phân xưởng Reforming của Nhà máy lọc dầu được đưa đến phân xưởng PP có đặc tính kỹ thuật như sau:

Trạng thái: Khí

Bảng 2 : Thành phần của khí chứa hydro

Tinh khiết

Độc tố:

1.2 TÍNH CÁC GIÁ TRỊ BAN ĐẦU CHO QUÁ TRÌNH MÔ PHỎNG

(Thực tế nhà máy có hệ thống điều khiển lưu lượng từng dòng nhưng trong

mô phỏng tỉnh ta phải tính toán các số liệu ban đầu để đưa vào mô phỏng)

Giả thiết : Dòng sản phẩm ra trong mỗi thiết bị phản ứng hầu như không chứa hydro

Lượng tiêu thụ xúc tác thấp nhất trong 1 h

Độ chuyển hóa Propylen tổng : 50 %

Bảng 3 : Độ chuyển hóa của Propylen và Hydro trong từng thiết bị phản ứng

Lượng Propylene nguyên liệu thương mại ban đầu ( make-up) là:

F Propylene hồi lưu = 18750 ( kg/h) ( vì hiệu suất PƯ đạt 50% )

Tổng lượng Propylen đưa vào đầu quá trình là

F Propylene = F Propylene make-up + F Propylene hồi lưu = 37500 ( kg/h ) Tổng lượng Propylen tinh khiết đưa vào đầu quá trình là

F Propylene =

100

5,99

*37500

= 37312.5 ( kg/h )

Gọi :

X : Tổng lượng propylene đưa vào đầu quá trình ( propylene make-up

và dòng propylen hồi lưu)

X1 lượng propylene vào thiết bị hòa trộn xúc tác trước khi vào thiết bị PreR

X2 là lượng propylene vào trực tiếp thiết bị preR

X3 là lượng propylene vào trực tiếp thiết bị R1

X4 là lượng propylene vào trực tiếp thiết bị R2

→ Lượng PP sản xuất được trong 1 h : 18656.608 (kg/h)

Lượng hydro tiêu tốn trong 1 h : 0.358 (kg/h)

Lượng xúc tác tiêu thụ trong 1 h :

1000

033.0

*608.18656

= 0.616 (kg/h)

Lượng propylen còn lại : = 37312.5 - 18656.25 = 18656.25 (kg/h) Xét trong từng thiết bị phản úng :

Độ chuyển hóa của propylen tại PreR là 5%

→ lượng propylen tham gia phản ứng tại PreR là : 5% ( X1 + X2 )

Độ chuyển hóa của propylen tại R1 là 50%

→ lượng propylen tham gia phản ứng tại R1 là : 50%( 95% ( X1 + X2 ) + X3)

Độ chuyển hóa của propylen tại R2 là 40%

→ lượng propylen tham gia phản ứng tại R2 là : 40% (50% (95% ( X1 + X2 ) + X3) + X4 )

→ Lượng propylen còn lại là : 60%(50%( 95 %( X1 + X2 ) + X3) + X4)

Ví độ tinh khiết của Propylen là 99.5 % nên

→ Lưu Lượng propylene thực vào thiết bị hòa trộn xúc tác trước khi vào thiết

Lượng propylen tham gia phản ứng tại PreR là : 251.752

→ Lượng propylen tham gia phản ứng tại R1 là : 5814.154

→ Lượng propylen tham gia phản ứng tại R2 là : 12500.638

Tại thiết bị PreR:

PƯ:

2500 C3H6 + H 2 = PP

105200 2.016 105200.016

X X*2.016/105200 X*105200.016/105200 (kg/h) 251.752 0.00482 251.757 (kg/h)

Lượng PP trong thiết bị PreR : 251.757 (kg/h)

Lượng PP trong thiết bị R1: 251.757 + 5814.265 = 6066.022 (kg/h)

Lượng PP trong thiết bị R2: 6066.022 + 12055.877 = 18658.606 (kg/h)

Lượng hydro ( tinh khiết )vào thiết bị preR là : 0.0482 ( kg/h)

Lượng hydro vào thiết bị R1 là : 0.11142 ( kg/h)

Lượng hydro vào thiết bị R2 là : 0.23956 ( kg/h)

Vì độ tinh khiết của hydro là 99.5 % nên ta có :

Lưu lượng hydro thực vào thiết bị preR là : 0.0485 ( kg/h)

Lưu lượng hydro thực vào thiết bị R1 là : 0.11198( kg/h)

Lưu lượng hydro thựcvào thiết bị R2 là : 0.24076 ( kg/h)

Tổng Lượng hydro đưa vào là : 0.358 ( kg/h)

Bảng cân bằng vật chất các dòng vào ra của các thiết bị :

( vì qua bơm và tb trao đổi nhiệt thành phần và lưu lượng các dòng vật chất xem như không đổi nên ta chỉ lập bảng cho các thiết bị PreR, R1, R2, tb tách )

Bảng 4 : Bảng cân bằng vật chất của thiết bị PreR

Bảng 6 : Bảng cân bằng vật chất của thiết bị R2

1.3 TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH NHỜ MÔ PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM HYSYS [30]

Để đáp ứng nhu cầu ngày càng lớn các sản phẩm dầu mỏ cả về số lượng và chất lượng, chúng ta phải không ngừng cải tiến về công nghệ và phương pháp sản xuất Vì vậy, các công trình nghiên cứu khoa học, các dự án thiết kế được tiến hành, và cùng với sự phát triển vượt bậc của ngành công nghệ thông tin, với những máy tính tốc độ cao, các hệ điều hành siêu việt, các lập trình viên đã góp phần to lớn cho sự ra đời của các phần mềm mô phỏng

Trước đây để lên kế hoạch cho một dự án đòi hỏi rất nhiều thời gian, và khả năng thực hiện dự án đó là khó có thể không thể biết trước được Nhưng khi các phần mềm mô phỏng ra đời, thì công việc trở nên nhẹ nhàng đi rất nhiều, chúng ta có thể

mô phỏng hoạt động của các nhà máy trong các chế độ vận hành khác nhau, thay đổi các thông số làm việc của bất kỳ đơn vị hoạt động nào mà không ảnh hưởng đến quá trình hoạt động chung của nhà máy Ngoài ra, với những tính năng của các phần mềm

mô phỏng ta có thể thiết kế được các dự án khác nhau, tìm được phương án tối ưu, nhanh, cho kết quả khả quan và đạt hiệu quả kinh tế, quan trọng hơn nữa là áp dụng được cho hầu hết các lĩnh vực của ngành dầu khí và các ngành công nghệ hoá học, đảm bảo được tính khả thi cho những kế hoạch lớn sẽ được thực hiện trong tương lai

Một số phần mềm mô phỏng:

- Simsci (PRO//II)

- Hyprotech (HYSIM, HYSYS, HTFS, STX/ACX, BDK)

- Bryan research & engineering (PROSIM, TSWEET)

- Winsim (DESIGN II for Windows)

- IDEAS Simulation

- Simulator 42

- RSI

- Chemstations

1.3.1 Giới thiệu về phần mềm Hysys

Hysys là phần mềm chuyên dụng dùng để tính toán và mô phỏng công nghệ được dùng cho chế biến dầu và khí, trong đó các quá trình xử lý và chế biến khí được

sử dụng tạo các thư viện riêng rất thuận tiện cho việc sử dụng Ngoài ra Hysys còn có khả năng tự động tính toán các thông số còn lại nếu thiết lập đủ thông tin Đây chính là điểm mạnh của Hysys giúp người sử dụng tránh những sai sót và đồng thời có thể sử dụng những dữ liệu ban đầu khác nhau

Hysys đƣợc thiết kế sử dụng cho hai trạng thái mô phỏng:

trình

 Dynamic Mode: Trạng thái động, mô phỏng thiết bị hay quy trình ở trạng thái đang vận hành liên tục, khảo sát sự thay đổi các đáp ứng của hệ thống theo

sự thay đổi của một vài thông số

1.3.2 Các bước mô phỏng sơ đồ công nghệ sản xuất Polypropylene

1.3.2.1 Xây dựng mô hình, điều kiện phản ứng

Xây dựng một quá trình mô phỏng mới bằng cách kích chuột vào New Kích chuột vào nút Add trong hộp thoại Simulation Basis Manager mở ra hộp thoại Fluid

Pacakge chọn mô hình nhiệt động là: UNIQUAC – Peng Robinson

Hình 1 : Chọn mô hình nhiệt động cho quá trình

Trong phần Components ta chọn các cấu tử cho trong quá trình

Hình 2 : Chọn cấu tử trong thƣ viện Hysys cho quá trình

Riêng đối với cấu tử Polypropylene, trong thư viện Hysys không có, do vậy ta phải xây dựng một cấu tử giả Các bước làm như sau:

Chọn Hypothetical, click vào Quick Create A Solid Hypo…và đặt tên là PP Double Click vào PP, đưa vào một số dữ liệu cần thiết như: Khối lượng phân tử, khối lượng riêng, %C, %H, nhiệt phản ứng Sau đó Click Estimate Unknown Props để Hysys tự động tìm những dữ liệu còn lại

Hình 3 : Xây dựng cấu tử giả cho quá trình

Hình 4 : Quá trình xây dựng cấu tử giả PP

Trong phần Rxns, Add các cấu tử phản ứng và phương trình phản ứng bằng cách click chọn Simulation Basis Mgr…, xuất hiện phần Reactions (những phương trình phản ứng) trong hộp thoại Simulation Basis Manager, sau đó click vào Add

comps để chọn các cấu tử tham gia trong phương trình phản ứng hoá học bằng cách

click chuột vào Add This Group of Component, tiếp tục chọn nút Add Rxn để xác

lập loại phương trình phản ứng xảy ra trong thiết bị, ở đây chọn phương trình phản

ứng dạng chuyển hoá (Conversion) và chọn Add reaction xuất hộp thoại Conversion

Reaction: Rxn 1, sau đó chọn các cấu tử tham gia trong phương trình phản ứng và

nhập các hệ số tỉ lượng (Stoich Coeffs) của phương trình phản ứng Trong phần Basis chọn cấu tử Hydrogen (độ chuyển hoá theo Hydrogen) Xong đóng tất cả các hộp hội thoại, click vào Enter Simulation Environment (vào môi trường mô phỏng) trong hộp hội thoại Simulation Basis Manager

Hình 5 : Xây dựng phương trình phản ứng cho quá trình

Hình 6 : Xác định cấu tử và hệ số tỉ lƣợng cho phản ứng

Hình 7 : Xác định độ chuyển hóa của phản ứng

Trên thanh công cụ Case (Main) chọn dòng vật chất Material Stream (Hình

mũi tên màu xanh) Click vào hình mũi tên giữ chuột và kéo đặt trên nền cần xây dựng, Double click vào hình mũi tên vừa xây dựng để nhập các thông số cho dòng

như: Tên dòng, nhiệt độ, áp suất, lưu lượng của dòng trong phần Conditions

Hình 8 : Xác lập nhiệt độ, áp suất, lưu lượng cho dòng

Hình 9 : Xác lập thành phần cho từng cấu tử trong dòng

Trong phần composition ta nhập thành phần ( phần mol hoặc phần khối lượng )

của các cấu tử trong dòng nguyên liệu Khi dòng chuyển sang màu xanh đậm là đã thực hiện đúng quá trình

Các dòng vật chất cho Hydrogen và Xúc tác cũng được xây dựng tương tự

1.3.2.2 Xây dựng thiết bị phản ứng

Trên thanh công cụ Case (Main) Click vào Conversion Reaction Double

click vào thiết bị để nhập tên cho dòng nguyên liệu vào, dòng sản phẩm ra, dòng nhiệt

- trong phần Connections

Hình 10 : Xây dựng các dòng vào – ra và các thuộc tính cho TBPƢ

Trong phần Parameters xác định các điều kiện, thông số hoạt động của tháp

như số pha, tổn thất áp suất, thể tích thiết bị, cung cấp nhiệt hay làm lạnh…

Conversion Reaction

Hình 11 : Xác lập các điều kiện và thông số cho TBPƢ

Tiếp theo, Click vào Reactions, để xác lập loại phản ứng và phương

trình phản ứng xảy ra trong thiết bị

Hình 12 : Xác lập các điều kiện phản ứng xảy ra trong TBPƢ

Trong phần Rating, xác lập thiết bị loại hình cầu hay trụ, kiểu đứng hay nằm

ngang (hình 3.13)

Đến đây, về cơ bản đã thiết lập được các điều kiện cũng như thông số kĩ thuật cần thiết cho một thiết bị phản ứng Trong sơ đồ công nghệ Spheripol, có ba thiết bị phản ứng và các bước thực hiện tương tự nhau

Hình 13 : Chọn loại trong TBPƢ chuyển hoá

Trong sơ đồ công nghệ Hypol II thiết bị tách dòng khí ra khỏi sản phẩm Polypropylene (HPS) là thiết bị lọc dạng túi Khí thu được ở phần đỉnh đưa đi thu hồi Propylene để tuần hoàn lại quá trình Sản phẩm thu được ở đáy

Trên thanh công cụ Case (Main) Click vào Solid Ops→ Baghouse Filter

Double click vào thiết bị để nhập tên cho dòng nguyên liệu vào, dòng sản phẩm ra, -

trong phần Connections ( hình 3.14); Trong phần Parameters nhập tổn thất áp suất cho các túi ( hình ) Baghouse Filter

Hình 14 : Xây dựng các dòng vào – ra và các thuộc tính cho thiết bị tách

Sau khi thực hiện xong các thao tác xây dựng trên, ta được một sơ đồ mô phỏng chung cho dây chuyền sản xuất của phân xưởng Polypropylene như hình sau

Hình 16 : TỔNG QUAN SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT POLYPROPYLENE THEO CÔNG NGHỆ Hypol II

1.3.3 Kết quả thu được từ quá trình mô phỏng

Sau khi chạy mô phỏng, thu được kết quả cân bằng vật chất của quá trình như sau:

Bảng 8 : Cân bằng vật chất của các thiết bị

Bảng 9 : Bảng tổng kết các dòng vào ra của quá trình mô phỏng

Nhiệt

độ (oC)

Áp suất (bar)

Lưu lượng (kg/h)

Nhiệt lượng (kJ/h)

Phần hơi

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN CÁC THIẾT BỊ CHÍNH 2.1 TÍNH TOÁN KÍCH THƯỚC CHO THIẾT BỊ CHÍNH

2.1.1 Các thiết bị phản ứng

Trong Hysys không hỗ trợ việc tự động tính toán thể tích thiết bị phản ứng khi

mô phỏng ở trạng thái tĩnh (với tháp chưng cất thì có) mà chỉ hỗ trợ việc tính toán các giá trị còn lại như đường kính, bề dày vỏ thiết bị,…khi đã xác lập một giá trị thể tích nào đó

Theo tính chất của quá trình như: Phản ứng ở pha lỏng, xúc tác được hoà trộn trong dòng vật chất, cho nên khi tính toán giá trị kích thước các thiết bị phản ứng phải thông qua các giá trị như: Lưu lượng thể tích thực (Fv) và thời gian lưu (TR) của lưu chất trong thiết bị phản ứng

Các giá trị từ Hysys như sau:

2.1.3 Kết quả thu được từ mô phỏng

Sau khi ta tính toán được các giá trị thể tích của các thiết bị nói trên Tiến hành chạy Hysys để hiệu chỉnh các kích thước trên mang tính kinh tế hơn và các kích thước

về bơm, thiết bị trao đổi nhiệt cũng được xác lập Ta được kết quả sau:

56,976

,939

2,9

3,643

,408

4,35

5,465

Đối với thiết bị tách loại với lưu lượng 246.4 (m3/h) ta được kết quả như sau:

Năng suất (m3

 Thiết bị trao đổi nhiệt

bị trộn xúc tác trước khi vào thiết bị tiền phản ứng (PreR);

 Thiết bị trao đổi nhiệt E-02, gia nhệt dòng propylen trước khi đi vào thiết

bị phản ứng thứ nhất ( R1 );

 Thiết bị trao đổi nhiệt E-03, gia nhiệt dòng propylene trước khi vào thiết

bị phản ứng thứ hai ( R2 )

khi vào thiết bị tách;

Khi tiến hành mô phỏng ta biết được lưu lượng của dòng nước làm lạnh và làm nóng dòng propylene qua các thiết bị trao đổi nhiệt E-01, E-02, E-03, E-04 lần lượt là

2200 (kg/h), 292.7(kg/h), 730(kg/h), 134720(kg/h) Ta tiến hành thiết kế để tính toán các thông số thiết bị trao đổi nhiệt như sau:

Trên thanh công cụ Case (Main) Click vào Heat exchanger Double click vào

thiết bị để nhập tên cho dòng nguyên liệu vào, dòng sản phẩm ra, dòng nhiệt - trong

Hình 17 : Xây dựng thiết bị trao đổi nhiệt

Trong phần Parameters chọn cách thức trao đổi nhiệt (Heat Exchanger Model )là trong phạm vi mô phỏng tĩnh (Steady state rating) Nhập tổn thất áp suất cho dòng

đi trong ống và ngoài ống

Hình 18 : Xác lập tổn thất áp suất trong thiết bị trao đổi nhiệt

Trong phần Worksheet nhập lưu lượng hơi thấp áp trao đổi nhiêt

Tổn thất áp ngoài ống, KPa 200 200 500 500

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CỦA

3.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

Trong ngành điều khiển tự động có hai loại chính đó là điều khiển có khả năng đóng hoặc mở (discrete control) và điều khiển quá trình (process control)

3.1.1 Các nguyên tắc cơ bản của quá trình điều khiển

3.1.1.1 Điều khiển đóng mở

Điều khiển đóng mở là hệ thống điều khiển tự động thường được sử dụng cho các nhà máy lắp ráp Trong ngành công nghiêp hoá học nói chung cũng như trong ngành công nghệ lọc dầu và chế biến khí nói riêng, điều khiển đóng mở tuy không phổ biến nhưng cũng là không thể thiếu và có vai trò quan trọng, đặc biệt trong các ứng dụng start up, shutdown, an toàn nhà máy

Những đầu vào, đầu ra của loại điều khiển này chỉ ở một trong hai trạng thái đóng hay mở (on hay off) Phương pháp điều khiển của loại này là logic, với cổng OR, AND, NAND vv Cách đây 40 năm bộ điều khiển của loại này là một hệ thống rơle

và rơle thời gian đặt trong tụ bảng Với sự phát triển của ngành điện tử, bộ điều khiển

có khả năng lập trình PLC (Programmable Logic Control) ra đời làm cho hệ thống rơle trở nên lỗi thời

3.1.1.2 Điều khiển quá trình

Trong các nhà máy lọc dầu, hoá dầu, chế biến khí, người ta sử dụng chủ yếu loại điều khiển này Quá trình sản xuất là liên tục, các thông số điều khiển bao gồm nhiệt độ, áp suất, mức chất lỏng, lưu lượng, độ pH, nồng độ vv

Thiết bị đầu vào thường là từ các bộ chuyển đổi tín hiệu cho ra tín hiệu tương tự dạng chuẩn như 4-20 mA hoặc 3-15 psig Thiết bị đầu ra thông thường là các van điều khiển Phương pháp điều khiển thường là thuật toán điều khiển tỉ lệ (Proportional), tích phân (Integral) và vi phân (Differential) viết tắt là PID [3]

3.1.2 Hệ thống điều khiển phân tán DCS trong các nhà máy hiện đại

Do đặt thù có nhiều phân xưởng nằm phân tán trong một diện tích lớn và có rất nhiều đầu vào và đầu ra ứng với từng phân xưởng nên hầu hết các nhà máy lọc dầu hiện nay đều sử dụng hệ thống điều khiển phân tán DCS (Distributed Control System)

Hệ thống được cấu thành bởi nhiều hệ thống nhỏ hơn nằm phân tán ở mỗi phân xưởng, mỗi hệ thống nhỏ này có nhiệm vụ đảm bảo quá trình điều khiển ở phân xưởng mà nó đảm nhiệm, nó chịu sự quản lý của các hệ thống chủ bên trên, có thể nhận hoặc cung cấp tín hiệu với các hệ thống chủ Bản thân các hệ thống phân tán này sẽ quản lý trực tiếp các thiết bị tại hiện trường như van, cảm biến, mô tơ

Tập hợp tất cả các dữ liệu từ các hệ thống phân tán ở từng phân xưởng sẽ được gởi lên các hệ thống cấp cao hơn, các hệ thống này thường được tập trung ở phòng