Tài liệu Nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật pinch technology vào tối ưu hoá hệ thống thu hồi nhiệt của phân xưởng chưng cất tại nhà máy lọc dầu dung quất

Đồ án tốt nghiệp Khoa Hóa – Trường Đại Học Bách Khoa MỤC LỤC LỜI NỚI ĐẦU ................................................................................................................................................. 8 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT PINCH .......................................................................................... 10 1.1 Khái niệm và nguyên tắc của kỷ thuật Pinch ................................................................................ 10 1.1.1 Khái niệm Pinch .................................................................................................................... 10 1.1.2 Xây dựng đường tổ hợp cho các dòng nóng, nguội................................................................... 10 1.1.3 Khái niệm DTmin và Pinch Point ............................................................................................ 12 1.1.3.1 DTmin (Dtmin hay ∆Τmin) ............................................................................................ 12 1.1.3.2 Pinch Point (Process Pinch) .......................................................................................... 13 1.1.4 Nguyên tắc Pinch.................................................................................................................... 14 1.2 Khai thác dữ liệu từ sơ đồ công nghệ để áp dụng và kỹ thuật Pinch .............................................. 15 1.2.1 Ví dụ mở đầu .......................................................................................................................... 15 1.2.1.1 Xây dựng bảng số liệu.................................................................................................... 16 1.2.1.2 Xây dựng đường tổ hợp.................................................................................................. 17 1.2.2 Nguyên tắc khai thác dữ liệu từ sơ đồ công nghệ ..................................................................... 19 1.2.2.1 Không tách các dòng có cùng tính chất nhiệt và hóa học trên sơ đồ hiện có .................... 19 1.2.2.2 Không tổ hợp các dòng có nhiệt độ khác nhau................................................................ 21 1.2.2.3 Khai thác dữ liệu tại các nhiệt độ “có hiệu quả” của các dòng công nghệ ...................... 22 1.2.2.4 Đảm bảo tính chính xác của dữ liệu khi trích xuất .......................................................... 23 1.2.2.5 Không trích xuất dữ liệu của các dòng phụ trợ thuần túy ................................................ 24 1.2.2.6 Nhận dạng dữ liệu “mềm” khi trích xuất........................................................................ 24 1.3 Sử dụng nhiều tác nhân cho quá trình đun nóng và làm nguội ...................................................... 24 1.3.1 Biểu diễn trên giản đồ đường tổ hợp (composite curve) ........................................................... 24 1.3.2 Biểu diễn trên giản đồ đường tổ hợp Grand (Grand Composite Curve) .................................... 25 1.4 Cân bằng giữa chi phí năng lượng và đầu tư ban đầu .................................................................. 27 1.4.1 Quá trình thiết kế mới HEN..................................................................................................... 27 1.4.1.1 Xác định bề mặt truyền nhiệt.......................................................................................... 28 1.4.1.2 Xác định số lượng thiết bị trao đổi nhiệt tối thiểu cho HEN ............................................ 28 1.4.1.3 Xác định chi phí của HEN.............................................................................................. 29 1.4.2 Thiết kế cải tiến HEN.............................................................................................................. 30 1.4.2.1 Hệ số bề mặt hiệu quả.................................................................................................... 31 1.4.2.2 Thiết kế cải tiến dựa trên DTmin .................................................................................... 32 1.4.2.3 Thiết kế cải tiến dựa trên giá trị DTmin thực nghiệm ...................................................... 33 1.4.2.4 Thời gian hoàn vốn ........................................................................................................ 34 1.5 Ứng dụng kỹ thuật Pinch cho những thay đổi công nghệ .............................................................. 35 1.5.1 Nguyên tắc “tăng – giảm” ...................................................................................................... 35 1.5.2 Thay đổi các thông số công nghệ của tháp chưng cất............................................................... 37 1.5.3 Áp dụng kỹ thuật Pinch phân tích tháp chưng cất .................................................................... 37 1.5.3.1 Đường tổ hợp Grand của tháp chưng cất (CGCC).......................................................... 37 1.5.3.2 Sử dụng giản đồ CGCC cho việc phân tích kỹ thuật Pinch .............................................. 38 1.5.3.3 Kết hợp tháp và phần còn lại của sơ đồ công nghệ (background process) ....................... 40 1.6 Ứng dựng kỹ thuật Pinch phân tích “bơm nhiệt” và “máy nhiệt” ................................................. 42 1.6.1 Ứng dụng kỹ thuật Pinch phân tích “máy nhiệt”...................................................................... 43 1.6.2 Ứng dụng kỹ thuật Pinch phân tích bơm nhiệt ......................................................................... 45 1.7 Thiết kế hệ thống trao đổi nhiệt (HEN) bằng phương pháp Pinch ................................................. 47 1.7.1 Một số khái niệm cơ bản ......................................................................................................... 47 1.7.2 Thiết kế hệ thống trao đổi nhiệt (HEN).................................................................................... 48 1.7.2.1 Sơ đồ nguyên lý của quá trình thiết kế HEN ................................................................... 48 1.7.2.2 Sơ đồ lưới...................................................................................................................... 49 1.7.3 Thiết kế HEN bằng phương pháp Pinch................................................................................... 49 1.7.3.1 Nguyên tắc của phương pháp Pinch ............................................................................... 49 1.7.3.2 Thiết kế phần Sink (phía trên Pinch) .............................................................................. 50 1.7.3.3 Thiết kế phần Source ..................................................................................................... 51 1.7.3.4 Bậc tự do của HEN ........................................................................................................ 52 1.7.3.5 Thiết kế HEN với mục tiêu chi phí vận hành nhỏ nhất..................................................... 52 1.7.3.6 Chia dòng (phân nhánh) phục vụ cho quá trình thiết kế .................................................. 54 1.7.3.7 Đánh giá HEN vừa thiết kế ............................................................................................ 55 1.7.4 Thiết kế cải tiến HEN.............................................................................................................. 56 GVHD: TS. Nguyễn Đình Lâm Trang 1 SVTH: Nguyễn Thanh Sang 1.7.4.1 Phương pháp Pinch dùng khi thiết kế cải tiến................................................................. 56 1.7.4.2 Hiệu chỉnh thiết bị trao đổi nhiệt Cross Pinch ................................................................ 56 1.7.4.3 Phân tích các đường nhiệt hở......................................................................................... 58 Chương 2: ỨNG DỤNG KỸ THUẬT PINCH PHÂN TÍCH QUÁ TRÌNH THU HỒI NHIỆT CỦA PHÂN XƯỞNG CDU – NHÀ MÁY LỌC DẦU DÙNG QUẤT ................................................................................................. 60 2.1 Một số mục tiêu cần đạt được khi phân tích phân xưởng CDU ..................................................... 60 2.1.1 Hàm mục tiêu ......................................................................................................................... 60 2.1.2 Tối ưu năng suất nhiệt của lò đốt ............................................................................................ 60 2.1.3 Bề mặt trao đổi nhiệt tối ưu..................................................................................................... 60 2.1.4 Số lượng thiết bị trao đổi nhiệt tối ưu ...................................................................................... 61 2.1.5 Chi phí tối ưu.......................................................................................................................... 61 2.2 Các bước tiến hành để ứng dụng kỹ thuật Pinch........................................................................... 61 2.2.1 Trích xuất dữ liệu từ sơ đồ PFD và P&ID ............................................................................... 62 2.2.2 Mô phỏng phân xưởng CDU bằng phần mềm Hysys ................................................................ 62 2.2.3 Phân tích quá trình thu hồi nhiệt bằng kỹ thuật Pinch.............................................................. 63 2.2.4 Xác lập chế độ vận hành cho HEN .......................................................................................... 64 2.3 Kết quả mô phỏng và phân tích Pinch .......................................................................................... 65 2.4 So sánh quá trình mô phỏng và phân tích tối ưu ........................................................................... 72 2.5 Kết quả tính toán HEN và các dòng công nghệ ở chế độ vận hành................................................ 73 KẾT LUẬN.................................................................................................................................................... 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................................................ 78 Bảng 1.1: Bảng 1.2: Bảng 1.3: Bảng 1.4: Bảng 1.5: Bảng 1.6: Bảng 1.7: Bảng 1.8: Bảng 1.9: Bảng 1.10: Bảng2.1: Bảng 2.2: Bảng 2.3a: Bảng 2.3b: Bảng 2.4: Bảng 2.5: Bảng 2.6: Bảng 2.7: Bảng 2.8: Bảng 2.9: Bảng 2.10: Bảng 2.11: Bảng 2.12: DANH MỤC BẢNG BIỂU Một số giá trị DTmin thực nghiệm theo Linnhoff March ...................................................... 12 DTmin ứng với các nguồn phụ trợ được dùng ..................................................................... 13 Các số liệu từ sơ đồ công nghệ ........................................................................................... 16 Dữ liệu nhiệt của dòng nóng .................................................................................................. 17 Dữ liệu nhiệt của dòng nguội............................................................................................. 18 Các hệ số a, b, c ................................................................................................................ 29 Một số giá trị DTmin sử dụng cho thiết kế cải tiến trong nhà máy lọc dầu[1] ..................... 34 Các dòng nóng và nguội của tháp chưng cất....................................................................... 37 Các trường hợp xảy ra khi kết hợp tháp vào sơ đồ công nghệ [2] ........................................ 40 Dữ liệu thiết kế HEN ......................................................................................................... 52 Các số liệu khai thác được từ quá trình mô phỏng CDU...................................................... 65 Tác nhân phụ trợ dùng cho quá trình.................................................................................. 66 Process Pinch và Utility Pinch ........................................................................................... 67 Các kết quả tính toán HEN với DTmin = 13........................................................................ 67 Một số giá trị CA, OC, TAC khi DTmin = [6, 7] ................................................................. 69 Process Pinch và Utility Pinch ........................................................................................... 69 Kết quả tính toán HEN khi DTmin = 6.5 (tối ưu)................................................................. 69 So sánh trường hợp hiện tại với trường hợp tối ưu .............................................................. 70 Số liệu mô phỏng HEN của phân xưởng CDU..................................................................... 71 Số liệu tính toán HX từ quá trình mô phỏng thiết kế ........................................................... 71 So sánh mô phỏng và phân tích tối ưu của Pinch ................................................................ 73 Nhiệt độ cuối của các dòng công nghệ ở chế độ vận hành ................................................... 74 Số liệu tính toán HX khi mô phỏng vận hành....................................................................... 75 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Hình 1.2: Đường tổ hợp nóng và nguội................................................................................................... 11 Bề mặt trao đổi nhiệt và lượng nhiệt cung cấp cho quá trình .................................................... 11 Hình 1.3: Quan hệ giữa DTmin và chi phí đầu tư ban đầu ....................................................................... 13 Hình 1.4: Sink và Source ......................................................................................................................... 14 Hình 1.5: Vi phạm Pinch ......................................................................................................................... 15 Hình 1.6: Sơ đồ công nghệ ...................................................................................................................... 15 Hình 1.7: Sơ đồ công nghệ thu gọn ......................................................................................................... 16 Hình 1.8: Dòng nóng 1 và 2 .................................................................................................................... 17 Hình 1.9: Đường tổ hợp nóng.................................................................................................................. 17 Hình 1.10: Đường tổ hợp nguội................................................................................................................. 18 Hình 1.11: Đường tổ hợp của 4 dòng công nghệ ....................................................................................... 18 Hình 1.12: Ví dụ về khai thác dữ liệu từ sơ đồ công nghệ .......................................................................... 19 Hình 1.13: Khai thác dữ liệu từ sơ đồ gốc và thiết kế HEN........................................................................ 20 Hình 1.14: Phương pháp khai thác dữ liệu áp dụng cho kỹ thuật Pinch ..................................................... 21 Hình 1.15: Thiết bị trao đổi nhiệt giả định ................................................................................................ 21 Hình 1.15c: Tổ hợp 2 dòng công nghệ có cùng nhiệt độ cuối ...................................................................... 22 Hình 1.15d: Mô hình đúng khi tổ hợp các dòng công nghệ trong kỹ thuật Pinch .......................................... 22 Hình 1.16: Nhiệt độ có hiệu quả ................................................................................................................ 23 Hình 1.17: Đường tổ hợp giả định và đường tổ hợp thực ........................................................................... 23 Hình 1.18: Sử dụng nhiều tác nhân đun nóng ............................................................................................ 25 Hình1.19: Giản đồ đường dịch chuyển (Shifted Composite Curve) ............................................................ 25 Hình 1.20: Đường tổ hợp Grand (Grand Composite Curve)....................................................................... 26 Hình 1.21: Lượng nước làm mát và hơi cần cung cấp ................................................................................ 26 Hình 1.22: Giản đồ Grand và điểm Pinch.................................................................................................. 27 Hình 1.23: Bề mặt truyền nhiệt của hệ thống ............................................................................................. 28 Hình 1.24: Chi phí cho HEN ..................................................................................................................... 30 Hình 1.25: Cân bằng năng lượng và diện tích cho thiết kế lại .................................................................... 31 Hình 1.26: Thiết kế cải tiến dựa trên hệ số α ............................................................................................. 32 Hình 1.27: Thiết kế cải tiến dựa trên sự thay đổi DTmin ............................................................................ 33 Hình 1.28: Ảnh hưởng của hình dạng đường tổ hợp lên giá trị DTmin tối ưu.............................................. 34 Hình 1.29: Thời gian hoàn vốn cho thiết kế cải tiến ................................................................................... 35 Hình 1.30: Nguyên tắc tăng giảm của Pinch .............................................................................................. 36 Hình 1.31: Giảm lượng phụ trợ dùng bằng cách thay đổi áp suất nạp liệu ................................................. 36 Hình 1.32: Giản đồ Grand cho tháp chưng cất .......................................................................................... 38 Hình 1.33a: Thay đổi tỉ số hồi lưu ............................................................................................................... 39 Hình 1.33b: Thay đổi điều kiện nạp liệu của nguyên liệu ............................................................................. 39 Hình 1.33c: Thay đổi Side condenser/Side reoiler ....................................................................................... 40 Hình 1.33a: Phân tích riêng lẻ tháp và phần còn lại .................................................................................... 41 Hình 1.34b: Kết hợp phân tích tháp chưng và toàn bộ quá trình .................................................................. 41 Hình 1.34c: Mô hình kết hợp lý tưởng giữa tháp chưng và background process ........................................... 42 Hình 1.34d: Mô hình kết hợp thực giữa tháp chưng và background process ................................................. 42 Hình 1.35: Tích hợp máy nhiệt vào trong sơ đồ công nghệ ......................................................................... 44 Hình 1.36a: Kết hợp tuabin hơi vào quá trình công nghệ bằng giản đồ Grand ............................................. 45 Hình 1.36b: Tích hợp tuabin khí vào quá trình công nghệ ............................................................................ 45 Hình 1.37: Đặt bơm nhiệt vào trong quá trình công nghệ để phân tích bằng kỹ thuật Pinch........................ 46 Hình 1.38: Ứng dụng giản đồ Grand để phân tích bơm nhiệt bằng kỹ thuật Pinch ...................................... 47 Hình 1.39: Các bước tiến hành thiết kế hệ thống trao đổi nhiệt bằng phương pháp Pinch........................... 48 Hình 1.40: Sơ đồ lưới trong phương pháp thiết kế Pinch............................................................................ 49 Hình 1.41: Giản đồ lưới cho các dòng công nghệ và phụ trợ........................................................................... 50 Hình 1.42: Giản đồ T – H cho trường hợp thiết kế phần Sink (tiếp giáp với Pinch) ..................................... 51 Hình 1.43: Giản đồ T – H cho trường hợp thiết kế phần Source ................................................................. 51 Hình 1.44a: Thiết kế phần Sink ................................................................................................................... 53 Hình 1.44b: Thiết kế phần Source ............................................................................................................... 54 Hình 1.45: HEN và vòng nhiệt................................................................................................................... 54 Hình 1.46: Chia dòng phục vụ cho thiết kế HEN theo phương pháp Pinch.................................................. 54 Hình 1.47: Sơ đồ phân tích các dòng trao đổi nhiệt ................................................................................... 55 Hình 1.48: Hình 1.49: Hình 2.1: Hình 2.2: Hình 2.3: Hình 2.4 : Hình 2.5 : Hình 2.6 : Hình 2.7: Hình 2.8 : Hình 2.9 : Hình 2.10 : Hình 2.11 : Lựa chọn phương pháp sử dụng thiết kế cải tiến....................................................................... 57 Các bước tiến hành hiệu chỉnh Cross Pinch ............................................................................. 58 Các bước tiến hành để phân tích Pinch .................................................................................... 62 Trích xuất dữ liệu từ PFD ........................................................................................................ 62 Quá trình mô phỏng phân xưởng CDU phục vụ cho kỹ thuật Pinch ........................................... 63 Các bước tiến hành phân tích Pinch......................................................................................... 64 o Đường tổ hợp của các dòng nóng và nguội ứng với DTmin = 13 C........................................... 66 o Đường tổ hợp Grand của quá trình ứng với DTmin = 13 C ...................................................... 66 Mối quan hệ giữa DTmin và QH, QC ......................................................................................... 67 Mối quan hệ giữa DTmin với chi phí vận hành và chi phí đầu tư .............................................. 68 Mối quan hệ giữa DTmin và chi phí tổng của quá trình ............................................................ 68 Đường tổ hợp các dòng nóng và nguội với DTmin=6.5oC......................................................... 70 Đường tổ hợp Grand của quá trình ứng với DTmin = 6.5oC ..................................................... 70 MỘT SỐ KÍ HIỆU DÙNG TRONG ĐỒ ÁN Kí hiệu Giải thích COND tháp Thiết bị ngưng tụ đỉnh REB tháp Thiết bị đun sôi đáy H Thiết bị gia nhiệt C Thiết bị làm lạnh R1, R2 Thiết bị phản ứng C1 Tháp chưng Đơ n vị cất DTmin (Dtmin,∆Τmin) o C Chênh lệch nhiệt độ nhỏ nhất giữa đường tổ hợp nóng và nguội HX Thiết bị trao đổi nhiệt HEN Hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt (Heat Exchanger Network) XP Lượng nhiệt truyền qua Pinch KW OC Chi phí vận hành (Operation Cost) $/s CC Chi phí đầu tư ban đầu của một HX (Capital Cost) $ CCNet Chi phí đầu tư cho hệ thống $ TAC Chi phí tổng của HEN (Total Annualized Cost) EMAT Chênh lệch nhiệt độ nhỏ nhất tại HX $/s o C (Exchanger Minimum Approach Temperature) ξ Hệ số chi phí hằng năm (Annualization Factor) ROR Tốc độ hoàn vốn (Rate Of Return) PL Thời gian hoạt động của dự án (Plant Life) CGCC Đường tổ hợp Grand của tháp chưng cất 1/năm % CCNet /năm (Column Grand Composite Curve) HPS Hơi nước bão hoà cao áp LPS Hơi nước bão hoà thấp áp CW Nước làm mát Cp Nhiệt dung riêng khối lượng Kj/kg CP = mCp o m o Nu,min Số lượng thiết bị trao đổi nhiệt tối thiểu Nmv Số lượng thiết bị trao đổi nhiệt hiện có trên sơ đồ lưới Nt s Số lượng các dòng công nghệ và phụ trợ QH (h), Qh,u Lượng nhiệt cấp thêm vào quá trình KW QC (c), Qc,u Lượng nhiệt do tác nhân lạnh lấy đi KW Uc,u Chi phí của tác nhân lạnh $/s Uh,u Chi phí của tác nhân đun nóng Air Không khí làm mát C Nhiệt dung riêng lưu lượng Kj/h Lưu C lượng khối lượng kg/h $/s MER Năng lượng tối đa thu hồi được (Maximum Energy Recovery) Th , Tc Nhiệt độ điểm Pinch nóng và nhiệt độ điểm Pinch nguội KW o C Tđầu (tđầu), Tcuối (tcuối Nhiệt độ đầu và cuối của các dòng ) Nloop nóng(lạnh) Số lượng vòng nhiệt kín NDoF Bậc tự do của HEN (Degree Of Freedom) GCC o C Đường tổ hợp Grand (Grand Composite Curve) Eex Năng lượng tiêu thụ của HEN sẵn có KW At m A2 Diện tích bề mặt cho quá trình thiết kế mới ứng với năng lượng tiêu thụ Eex Diện tích bề mặt mới Eret Năng lượng tiêu thụ của HEN mới A1 α Diện tích bề mặt cho quá trình thiết kế mới ứng với năng lượng tiêu thụ Eret Hệ số bề mặt hiệu quả β Độ dốc đường cong thiết kế cải tiến W Công sinh ra KW Qloss Nhiệt mất mát KW HP Bơm nhiệt HE Máy nhiệt QEx Lượng nhiệt trao đổi Uh , Uc , U Hệ số trao đổi nhiệt tổng Ti Nhiệt độ đầu của các dòng oC Ts Nhiệt độ cuối của các dòng o 2 2 m KW 2 m KW 2 Kcal/h.m C C Nhiệt độ cuối mong muốn đạt được của các dòng o Ts-c Nhiệt độ cuối tính toán được ở chế độ vận hành o ∆H Biến thiên Enthalpy KW A1-1 Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt theo kiểu ngược chiều m 2 A1-2 Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt dạng tube-shell m 2 Ns Số lượng Shell DTh,mi n = (Tđầu - t cuối ) Chênh lệch nhiệt độ của dòng nóng vào và dòng nguội ra o C DTc,mi n = (Tcuối – tđầu) Chênh lệch nhiệt độ của dòng nóng ra và dòng nguội vào o C Xmp Giá trị tính toán được từ quá trình mô phỏng Xt u Giá tính toán được bằng phân tích tối ưu %X Lượng tiết kiệm được Ts-d C C % KW KW QEx – TH QEx – VH Lượng nhiệt trao đổi tại mỗi thiết bị khi thiết kế Lượng nhiệt trao đổi tại mỗi thiết bị khi vận hành εT Sai số của nhiệt độ cuối của các dòng khi thiết kế và vận hành % εQ Sai số của lượng nhiệt trao đổi của các thiết bị khi thiết kế và vận hành % εA Sai số của diện tích của các thiết bị khi thiết kế và vận hành % ΑTK Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt thiết kế m 2 ΑVH Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt vận hành m 2 LỜI NÓI ĐẦU Các quá trình trong công nghệ hóa học như: Chưng cất, phản ứng hóa học, trích ly…cần phải được cung cấp một lượng năng lượng cần thiết để quá trình xảy ra đạt hiệu quả và đảm bảo thu được các sản phẩm có chất lượng tốt đáp ứng nhu cầu thị trường. Dòng sản phẩm ra khỏi các thiết bị của quá trình thường có nhiệt độ cao và cần được 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 một đơn vị sản phẩm vì vậy nếu chi phí cho quá trình đun nóng và làm nguội đắt tiền thì sản phẩm bán ra thị trường có giá cao, tính cạnh tranh thấp. Vì vậy, tiết kiêm năng lượng tiêu thụ là một vấn đề rất quan trọng có ảnh hưởng lớn đến lợi nhuận và sự tồn tại của nhà máy. Để làm được việc này, chúng ta cần phải thiết kê hệ thống trao đổi nhiệt để tận dụng nhiệt của các dòng nóng để gia nhiệt nguyên liệu làm gảm chi phí cho quá trình đun nóng và làm nguội. Trong quá khứ, các nhà hoá học và thiết bị đã biết tận dụng nhiệt của các dòng sản phẩm có nhiệt độ cao gia nhiệt cho nguyên liệu và thiết kế hệ thống trao đổi nhiệt để thực hiện công việc này. Phương pháp thiết kế cổ điển giúp tiết kiệm được năng lượng tiêu tốn cho các quá trình trong công nghệ hoá học tuy nhiên lượng nhiệt tận dụng được vẫn còn rất hạn chế và chưa triệt để. Hiện nay, người ta dùng kỹ thuật Pinch technology để thiết kế hệ thống trao đổi nhiệt, nhằm tận dụng tối đa lượng nhiệt có thể thu hồi được từ quá trình qua đó làm giảm chi phí cho quá trình đun nóng và làm lạnh, tiến đến làm giảm chi phí tổng của quá trình. Kỹ thuật Pinch technology cung cấp cho người thiết kế một công cụ thuận tiện để phân tích quá trình thu hồi nhiệt tại các nhà máy hóa chất, hóa dầu và đặt biệt là trong lĩnh vực lọc dầu. Bằng cách xây dựng đường tổ hợp (Composite curve và Grand composite curve) cho các dòng công nghệ nóng và nguội trong quá trình, kỹ thuật Pinch technology giúp chúng ta tính toán lượng nhiệt cần cấp thêm vào hay lấy bớt ra khỏi quá trình một cách dễ dàng thông qua lựa chọn giá trị Dtmin thích hợp của hệ thống trao đổi nhiệt. Đề tài của tôi là: “Nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật Pinch technology vào tối ưu hoá hệ thống thu hồi nhiệt của phân xưởng chưng cất tại nhà máy lọc dầu Dung Quất”, trên cơ sở kiến thức cơ bản của kỹ thuật Pinch, ứng dụng phần mềm Aspen HX – Net, Excel tôi đã hoàn thành đồ án này. Đồ án bao gồm 2 phần chính: − Giới thiệu về lý thuyết Pinch technology. − Ứng dụng kỹ thuật Pinch và phần mềm Aspen Hysys để mô phỏng phana xưởng CDU, phần mềm Aspen HX – Net để tính toán lượng nhiệt thu hồi của phân xưởng CDU. Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo, TS Nguyễn Đình Lâm, kỹ sư Lê Hồng Nguyên đã giúp tôi hoàn thành đồ án này đúng hạn. Trong quá trình làm, do nhiều nguyên nhân khác nhau nên những thiếu sót là điều khó tránh khỏi. Rất mong sự đóng góp ý kiến của thầy cô giáo và các bạn để đề tài được hoàn thiện hơn. Đà nẵng, ngày 06, tháng 5 năm 2009 Sinh viên thực hiện Nguyễn Thanh Sang Chương 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT PINCH 1.1 Khái niệm và nguyên tắc của kỷ thuật Pinch 1.1.1 Khái niệm Pinch [1] Pinch là kỹ thuật phân tích hệ thống để đưa ra phương pháp tiết kiệm năng lượng trong một cụm hay toàn bộ quá trình công nghệ. Pinch dựa trên phương trình cân bằng vật chất và năng lượng. Sau khi cân bằng vật chất và năng lượng được thiết lập, Pinch sẽ phân tích và tính toán tổng lượng nhiệt tối đa có thể thu hồi, chi phí cho các quá trình đun nóng và làm nguội cũng như chi phí đầu tư ban đầu cho hệ thống trao đổi nhiệt qua đó lựa chọn những giá trị thích hợp bằng cách cân bằng giữa chi phí năng lượng và chi phí đầu tư ban đầu. Kỹ thuật Pinch áp dụng vào hệ thống trao đổi nhiệt được bắt đầu bằng việc xây dựng giản đồ (đường) tổ hợp của các dòng nòng và dòng nguội. 1.1.2 Xây dựng đường tổ hợp cho các dòng nóng, nguội - Sau khi thiết lập cân bằng vật chất và năng lượng, chúng ta tiến hành xây dựng đường tổ hợp cho các dòng nóng và nguội trên đồ thị T – H, với các giả thiết sau: + Nhiệt dung riêng của lưu chất là một hằng số trong một khoảng dT + Không có sự mất mát nhiệt (hiệu suất quá trình trao đổi nhiệt là 100%.) + Lượng nhiệt dòng nóng nhường hay dòng nguội nhận được tính theo công thức: ∆H = CP│Tđầu - Tcuối │ Với: + CP: là nhiệt dung riêng lưu lượng, CP = mCp (m: lưu lượng khối o o lượng, kg/s; Cp: nhiệt dung riêng lưu chất, KJ/kg C ), [CP] : [KW/ C] + ∆H: Enthalpy thay thay đổi, KW. - Đường tổ hợp (composite curve) được phân thành 2 loại bao gồm : + Đường tổ hợp nóng (hot composite curve): Tổng của các dòng công nghệ nóng trong quá trình + Đường tổ hợp nguội (cold composite curve): Tổng của các dòng công nghệ nguội trong quá trình - Xây dựng đường tổ hợp: Đường tổ hợp được xây dựng dựa trên phương trình cân bằng vật chất và năng lượng. Giản đồ đường tổ hợp nóng và nguội trên đồ thị T – H có dạng như sau: GVHD: TS. Nguyễn Đình Lâm Trang 1212 SVTH: Nguyễn Thanh Sang o T C Đường tổ hợp nóng Đường tổ hợp nguội ∆H, KW Hình 1.1: Đường tổ hợp nóng và nguội - Ý nghĩa của việc xây dựng đường tổ hợp: o T C QHmin A1 A2 Process Pinch A3 A6 A 5 QCmin DTmin A4 ∆H, KW Hình 1.2: Bề mặt trao đổi nhiệt và lượng nhiệt cung cấp cho quá trình Việc xây dựng và phân tích các đường tổ hợp cho phép chúng ta xác định được: • Lượng nhiệt cần cung cấp thêm hay lấy bớt khỏi quá trình. QHmin: Lượng nhiệt cần bổ sung thêm vào (quá trình đun nóng). QCmin: Lượng nhiệt cần lấy bớt khỏi quá trình (quá trình làm nguội). • Bề mặt truyền nhiệt và số lượng thiết bị trao đổi nhiệt • Giá trị DTmin của hệ thống, đây là một trong những giá trị quan trọng cho phép tối ưu hệ thống trao đổi nhiệt. 1.1.3 Khái niệm DTmin và Pinch Point 1.1.3.1 DTmin (Dtmin hay ∆Τmin) - Khái niệm: 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) hình 1.2. - Xác định DTmin: + Giá trị DTmin được tùy chọn theo các giá trị kinh nghiệm của Linnhoff March [1], sau đó tính toán kiểm tra và so sánh tìm ra giá trị phù hợp. Ứng với mỗi giá trị DTmin ta có diện tích bề mặt truyền nhiệt tổng tương ứng của hệ thống, chi phí tổng cho 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 được nêu ra như trong bảng 1.1: Bảng 1.1: Một số giá trị DTmin thực nghiệm theo Linnhoff March STT Lĩnh vực áp dụng DTmin Ghi chú 1 Lọc dầu 20 – 40 Hệ số trao đổi nhiệt thấp, hai đường tổ hợp gần song song nhau, có sự đóng cặn trong HEN 2 Hóa dầu 10 – 20 Hệ số trao đổi nhiệt cao và ít đóng cặn 3 Hóa học 10 – 20 Hệ số trao đổi nhiệt cao và ít đóng cặn 3–5 Chi phí cho tác nhân làm nguội rất đắt tiền, DTmin càng nhỏ nếu nhiệt độ của tác nhân làm nguội thấp. 4 Các quá trình ở nhiệt độ thấp Tùy thuộc vào HEN, lượng nhiệt thu hồi, phương thức gia nhiệt, phương thức làm nguội, việc sản xuất các dòng phụ trợ… mà các giá trị DTmin có thể khác nhau như được trình bày trong bảng 1.2. + Sau khi xác định DTmin cho hệ thống ta tiến hành dịch chuyển đường tổ hợp nguội theo phương song song với trục hoành đến khi thõa mãn điều kiện DTmin thì dừng lại. Từ giản đồ này có thể xác định được bề mặt truyền nhiệt tổng, nhiệt lượng cấp vào từ tác nhân đun nóng và lấy đi khỏi quá trình của tác nhân làm nguội. + DTmin tối ưu (optimal DTmin): Ứng với mỗi giá trị DTmin ta xác định được bề mặt tổng (A), chi phí năng lượng và chi phí đầu tư ban đầu. Xây dựng đồ thị phụ thuộc giữa các thông số trên cho để tìm được giá trị DTmin tối ưu. Đồ thị quan hệ thực nghiệm giữa các đại lượng trên có dạng như sau: Chi phí Chi phí tổng Chi phí năng lượng Chi phí đầu tư ban đầu DTmin tối ưu Hình 1.3: Quan hệ giữa DTmin và chi phí đầu tư ban đầu Sau khi xác định được DTmin tối ưu của quá trình, chúng ta đã tính toán được hết những giá trị tối ưu của HEN. Tuy nhiên để đưa những phân tích ở trên vào quá trình thiết kế HEN, chúng ta phải xác định được điểm Pinch và tuân theo một số nguyên tắt của Pinch khi thiết kế HEN để đạt được những giá trị khi tính toán tối ưu. Bảng 1.2 : DTmin ứng với các nguồn phụ trợ được dùng Quá trình DTmin 1 Cấp nhiệt bằng hơi nước 10 – 20 C 2 Sử dụng tác nhân làm nguội 3–5 C 3 Cấp nhiệt bằng khói lò 40 C 4 Sản xuất hơi nước bằng khói lò 25 – 40 C 5 Gia nhiệt không khí bằng khói lò 50 C 6 Làm nguội bằng nước sạch 15 – 20 C STT 0 0 Ghi chú Hệ số trao đổi nhiệt lớn Tốn chi phí Hệ số cấp nhiệt của khói lò thấp 0 0 Hệ số trao đổi nhiệt phía hơi nước lớn Lượng nhiệt cung cấp phụ thuộc vào điểm sương của khói lò (Ăn mòn) 0 0 Lượng nước dùng tùy thuộc vào thời tiết. 1.1.3.2 Pinch Point (Process Pinch) - Khái niệm: Pinch Point ( Pinch ) là điểm mà tại đó chênh lệch nhiệt độ nhỏ nhất giữa đường tổ hợp nóng và đường tổ hợp nguội đạt được DTmin và cũng là chênh lệch nhiệt độ nhỏ nhất trong hệ thống trao đổi nhiệt (hình 1.2).[1] - Pinch chia hệ thống thành 2 phần: Phần phía trên Pinch (Sink) và phần dưới Pinch (Source). QH min o TC Sink QC m in ∆ H KW Hình 1.4: Sink và Source 1.1.4 Nguyên tắc Pinch [1] Giả sử có một lượng nhiệt α truyền từ phần Sink sang phần Source (Across Pinch) như vậy ta cần cung cấp thêm một lượng nhiệt đúng bằng α từ bên ngoài vào phần Sink để đảm bảo quá trình đun nóng. Phần Source sẽ nhận được lượng nhiệt bằng α từ phần sink nên cũng cần thêm tác nhân làm nguội để lấy đi lượng nhiệt α do phần Sink cung cấp. Như vậy cần phải cung cấp thêm tác nhân nóng và nguội cho quá trình. Nếu cung cấp cho phần Source một lượng nhiệt β và lấy bớt ở phần Sink một lượng nhiệt bằng γ, như vậy cũng đồng nghĩa ta phải thêm tác nhân nóng để cấp nhiệt cho phần Sink và tác nhân nguội để làm nguội phần Source. Tóm lại, Nếu các quá trình trên xảy ra đồng thời thì lượng nhiệt mà phần Sink cần bổ sung thêm và lượng nhiệt mà phần Source nhận được là α + β + γ. Nếu xét về mặt kinh tế thì các quá trình này xảy ra làm giảm đi tính kinh tế của quá trình, nếu xét về mặt năng lượng thì chúng ta đang lãng phí, chưa tận dụng hết nguồn năng lượng của hệ thống. Để đạt được mục tiêu kinh tế và năng lượng, Pinch đưa ra một số nguyên tắc cần phải tuân thủ bao gồm:  Không có sự truyền nhiệt từ phần Sink qua phần Source (không có Cross Pinch).  Không có quá trình làm nguội ở phía Sink  Không có quá trình đun nóng ở phía Source Vi phạm bất kỳ nguyên tắc nào ở trên cũng đều dẫn đến sự truyền nhiệt qua Pinch và làm tăng chi phí sử dụng năng lượng. Q H m in + α + γ o T C β S in k γ α ∆H KW Q Cm in+ α + β Hình 1.5: Vi phạm Pinch 1.2 Khai thác dữ liệu từ sơ đồ công nghệ để áp dụng và kỹ thuật Pinch 1.2.1 Ví dụ mở đầu Giả sử ta có sơ đồ công nghệ như hình vẽ 1.11: Chú thích: COND: Thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp REB: Thiết bị đun sôi đáy tháp H: Thiết bị gia nhiệt C: Thiết bị làm lạnh R1, R2: Thiết bị phản ứng C1: Tháp chưng cất COND 0 60 C HX 0 80 C 180 0C 0 120 C C1 H 100 0C R2 R1 REB 0 120 C HX 130 0C C 0 30 C Hình 1.6: Sơ đồ công nghệ 40 0C Để khai tác số liệu phục vụ cho kỹ thuật Pinch, sơ đồ 1.6 có thể được được mô tả lại một cách ngắn gọn như sau (hình 1.7): Hình 1.7: Sơ đồ công nghệ thu gọn Trong đó: Cool: Làm nguội Heat: Đun nóng 1.2.1.1 Xây dựng bảng số liệu Sau khi xây dựng lại mô hình đơn giản, chúng ta có thể xác định các dòng gia nhiệt, dòng cần gia nhiệt, dòng thu hồi nhiệt, dòng cần làm nguội của hệ thống. Với ví dụ trên, các dòng công nghệ nói trên được trình bày trong bảng 1.1 dưới đây: Bảng 1.3: Các số liệu từ sơ đồ công nghệ STT Dòng Tban đầu 0 Tcuối 0 C C 30 2 40 3 100 100 120 50 1 Nóng 180 80 2 Nóng 130 40 3 Nguội 60 4 Nguội 30 Trong đó: Lưu lượng Cp CP = m x Cp 0 m (kg/h) (kj/kg.oC) (KW/ C) m: Lưu lượng khối lượng (kg/h) 0 Cp: nhiệt dung riêng Kj/Kg C 0 Chọn DTmin = 10 C. Ghi chú 60 Làm nguội 120 Làm nguội 2.4 240 Gia nhiệt 2.16 108 Gia nhiệt 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. 1.2.1.2 Xây dựng đường tổ hợp − Xây dựng đường tổ hợp cho 2 dòng nóng 1 và 2: Biểu diễn dòng 1 và 2 trên 0 đồ thị T – H, sau đó cộng 2 đường này lại như sau: Khoảng nhiệt độ từ 40 C đến 80 0 0 C chỉ có dòng 2 được biểu diễn CPnóng = CP2 = 40, khoảng nhiệt độ từ 80 C đến 130 0 C cả 2 dòng được biểu diễn và CP∑nóng = CP1 + CP2 = 20 + 40 = 60, khoảng nhiệt độ 0 0 từ 130 C đến 180 C chỉ có dòng 1 được biểu diễn CPnóng = CP 1 = 20 Bảng 1.4: Dữ liệu nhiệt của dòng nóng STT Tban đầu Dòng 0 Tcuối 0 C C CP = m x Cp 0 (KW/ C) ∆H = CP x (Tđầu - Tcuối) (KW) 1 Nóng 180 80 60 6000 2 Nóng 130 40 120 10800 Hai dòng nóng 1 và 2 được biểu diễn như hình 1.8 bên dưới và đường tổ hợp được mô tả trên hình 1.9. Hot Composite Curve 200 180 160 200 140 150 120 H 100 1 T 100 80 2 50 40 20 0 0 5000 10000 00 15000 5000 10000 T H Hình 1.8: Dòng nóng 1 và 2 Đường tổ hợp nóng 200 180 (CP2) 160 140 120 T (CP1 + CP2) 100 (1)+(2) 80 (CP1) 60 40 20 H 0 0 5000 10000 15000 Hình 1.9: Đường tổ hợp nóng 20000 15000 20000 − Xây dựng đường tổ hợp nguội cho hai dòng nguội 3 và 4: Tiến hành tương tự, khoảng nhiệt độ 30 đến 60 chỉ có dòng 4 được biểu diễn CPnguội = 36, khoảng nhiệt độ từ 60 đến 100 đường tổng của 3 và 4 được thể hiện CP∑nguội = CP3 + CP4 = 80 + 36 = 116, khoảng nhiệt độ từ 100 đến 120 chỉ có dòng 4 được biểu diễn CPnguội = CP4 = 36. Bảng 1.5: Dữ liệu nhiệt của dòng nguội STT Tban đầu Dòng 0 Tcuối 0 C C CP = m x Cp 0 (KW/ C) ∆H = CP x (Tcuối - Tđầu) (KW) 3 Nguội 60 100 240 9600 4 Nguội 30 120 108 9720 Đường tổ hợp của 2 dòng công ngh ệ (3) và (4) được mô tả như trên hình 1.10 dưới đây Đường tổ hợp lạnh 140 120 120 (CP4) 100 100 T (3) + (4) 140 3 80 T 4 60 (4) 80 60 40 40 20 20 0 (CP4) 0 0 5000 10000 15000 20000 25000 H 0 5000 10000 15000 20000 25000 H Hình 1.10:Đường tổ hợp nguội 0 − Chọn giá trị DTmin = 10 C. Đường tổ hợp nóng và nguội được mô tả như sau: T o Giản đồ đường tổ hợp C 200 180 Hot Composite Curve 160 140 ve Cold Composite Cur 120 100 80 Process Pinch 60 40 20 DTmin = 10 0 0 5000 ∆ H KW 10000 15000 20000 25000 Hình 1.11: Đường tổ hợp của 4 dòng công nghệ