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

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
∆Τ
min)

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
Đồ án tốt
nghiệp
Khoa Hóa – Trường Đại Học Bách
Khoa
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
DANH MỤC BẢNG
BIỂU
Bảng 1.1: Một số giá trị DTmin thực nghiệm theo Linnhoff
March


12
Bảng 1.2: DTmin ứng với các nguồn phụ trợ được
dùng


13
Bảng 1.3: Các số liệu từ sơ đồ công
nghệ
16
Bảng
1.4:
Dữ
liệu nhiệt
của dòng
nóng


17
Bảng 1.5: Dữ liệu nhiệt của dòng

nguội 18
Bảng 1.6: Các hệ số a, b,
c

29
Bảng 1.7: Một số giá trị DTmin sử dụng cho thiết kế cải tiến trong nhà máy lọc
dầu[1]

34
Bảng 1.8: Các dòng nóng và nguội của tháp chưng
cất 37
Bảng 1.9: Các trường hợp xảy ra khi kết hợp tháp vào sơ đồ công nghệ
[2]


40
Bảng 1.10: Dữ liệu thiết kế
HEN

52
Bảng2.1: Các số liệu khai thác được từ quá trình mô phỏng
CDU
65
Bảng 2.2: Tác nhân phụ trợ dùng cho quá
trình 66
Bảng 2.3a: Process Pinch và Utility Pinch
67
Bảng 2.3b: Các kết quả tính toán HEN với DTmin =
13 67
Bảng 2.4: Một số giá trị CA, OC, TAC khi DTmin = [6, 7]

69
Bảng 2.5: Process Pinch và Utility Pinch
69
Bảng 2.6: Kết quả tính toán HEN khi DTmin = 6.5 (tối
ưu)
69
Bảng 2.7: So sánh trường hợp hiện tại với trường hợp tối
ưu


70
Bảng 2.8: Số liệu mô phỏng HEN của phân xưởng
CDU 71
Bảng 2.9: Số liệu tính toán HX từ quá trình mô phỏng thiết kế

71
Bảng 2.10: So sánh mô phỏng và phân tích tối ưu của Pinch

73
Bảng 2.11: Nhiệt độ cuối của các dòng công nghệ ở chế độ vận
hành


74
Bảng 2.12: Số liệu tính toán HX khi mô phỏng vận
hành 75
DANH MỤC HÌNH
VẼ
Hình 1.1: Đường tổ hợp nóng và

nguội 11
Hình 1.2: 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: Lựa chọn phương pháp sử dụng thiết kế cải
tiến
57
Hình 1.49: Các bước tiến hành hiệu chỉnh Cross Pinch

58
Hình 2.1: Các bước tiến hành để phân tích Pinch

62
Hình 2.2: Trích xuất dữ liệu từ
PFD
62
Hình 2.3: Quá trình mô phỏng phân xưởng CDU phục vụ cho kỹ thuật
Pinch


63
Hình 2.4 : Các bước tiến hành phân tích
Pinch
64
Hình 2.5 : Đường tổ hợp của các dòng nóng và nguội ứng với DTmin =
13
o
C
66
Hình 2.6 : Đường tổ hợp Grand của quá trình ứng với DTmin =
13
o
C


66
Hình 2.7: Mối quan hệ giữa DTmin và Q
H
,
Q
C

67
Hình 2.8 : Mối quan hệ giữa DTmin với chi phí vận hành và chi phí đầu tư

68
Hình 2.9 : Mối quan hệ giữa DTmin và chi phí tổng của quá
trình


68
Hình 2.10 : Đường tổ hợp các dòng nóng và nguội với
DTmin=6.5
o
C
70
Hình 2.11 : Đường tổ hợp Grand của quá trình ứng với DTmin =
6.5
o
C
70
MỘT SỐ KÍ HIỆU DÙNG TRONG ĐỒ
ÁN
Kí

h

iệu G

iải th

ích Đơ

n v

ị
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
DTmin (Dtmin,
∆Τ
min) Chênh lệch nhiệt độ nhỏ nhất giữa đường tổ hợp nóng và nguội
o
C
HX
HEN
Thiết bị trao đổi nhiệt
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)
$
CC
Net

Chi phí đầu tư cho hệ thống $
TAC Chi phí tổng của HEN (Total Annualized Cost) $/s
EMAT Chênh lệch nhiệt độ nhỏ nhất tại HX
o
C
(Exchanger Minimum Approach Temperature)
ξ
Hệ số chi phí hằng năm (Annualization Factor) 1/năm
ROR Tốc độ hoàn vốn (Rate Of Return) % CC
Net
/năm
PL Thời gian hoạt động của dự án (Plant Life)
CGCC Đường tổ hợp Grand của tháp chưng cất
(Column Grand Composite Curve)
HPS Hơi nước bão hoà cao áp
LPS Hơi nước bão hoà thấp áp
CW
Cp
CP = mCp
Nước làm mát
Nhiệt dung riêng khối lượng Kj/kg
o
C Nhiệt dung riêng lưu lượng Kj/h

o
C
m Lưu lượng khối lượng kg/h
N
u,min
Số lượng thiết bị trao đổi nhiệt tối thiểu

N
mv
Số lượng thiết bị trao đổi nhiệt hiện có trên sơ đồ lưới
N
t

s
Số lượng các dòng công nghệ và phụ trợ
Q
H (h)
,
Q
h,u
Lượng nhiệt cấp thêm vào quá trình KW
Q
C (c)
,
Q
c,u
Lượng nhiệt do tác nhân lạnh lấy đi KW
U
c,u
Chi phí của tác nhân lạnh $/s
U
h,u
Chi phí của tác nhân đun nóng $/s
Air Không khí làm mát
MER Năng lượng tối đa thu hồi được (Maximum Energy Recovery) KW
T
h

, T
c
Nhiệt độ điểm Pinch nóng và nhiệt độ điểm Pinch nguội
o
C
T
đầu
(t
đầu
), T
cuối
(t
cuối
)
N
loop
N
DoF
GCC
Nhiệt độ đầu và cuối của các dòng
nóng(lạnh) Số lượng vòng nhiệt kín
Bậc tự do của HEN (Degree Of Freedom)
Đường tổ hợp Grand (Grand Composite Curve)
o
C
E
ex
Năng lượng tiêu thụ của HEN sẵn có KW
A
t

Diện tích bề mặt cho quá trình thiết kế mới ứng với năng lượng tiêu thụ
E
ex
m
2
A
2
Diện tích bề mặt mới
m
2
E
ret
Năng lượng tiêu thụ của HEN mới KW
A
1
Diện tích bề mặt cho quá trình thiết kế mới ứng với năng lượng tiêu thụ
E
ret
m
2
α


Hệ số bề mặt hiệu quả
β


Độ dốc đường cong thiết kế cải tiến
W Công sinh ra KW
Q

loss
HP
Nhiệt mất mát
Bơm nhiệt
KW
HE Máy nhiệt
Q
Ex
Lượng nhiệt trao đổi KW
U
h
, U
c
, U Hệ số trao đổi nhiệt tổng Kcal/h.m
2
C
T
i
Nhiệt độ đầu của các dòng
o
C
T
s
Nhiệt độ cuối của các dòng
o
C
T
s-d
Nhiệt độ cuối mong muốn đạt được của các dòng
o

C
T
s-c
Nhiệt độ cuối tính toán được ở chế độ vận hành
o
C
∆
H
A
1-1
Biến thiên Enthalpy
Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt theo kiểu ngược chiều
KW
m
2
A
1-2
Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt dạng tube-shell
m
2
N
s
Số lượng Shell
DT
h,mi
n
= (T
đầu
-
t

cuối

)
Chênh lệch nhiệt độ của dòng nóng vào và dòng nguội ra
o
C
DT
c,mi
n
= (T
cuối
–
t
đầu
)
Chênh lệch nhiệt độ của dòng nóng ra và dòng nguội vào
o
C
X
mp
Giá trị tính toán được từ quá trình mô phỏng
X
t

u
Giá tính toán được bằng phân tích tối ưu
%X Lượng tiết kiệm được %
Q
Ex –
TH

Q
Ex –
VH
Lượng nhiệt trao đổi tại mỗi thiết bị khi thiết kế
Lượng nhiệt trao đổi tại mỗi thiết bị khi vận hành
KW
KW
ε
T
Sai số của nhiệt độ cuối của các dòng khi thiết kế và vận hành %
ε
Q
Sai số của lượng nhiệt trao đổi của các thiết bị khi thiết kế và vận hành %
ε
A
Sai số của diện tích của các thiết bị khi thiết kế và vận hành %
Α
TK
Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt thiết kế
m
2
Α
VH
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
C h ươ

n

g


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│T
đầu
- T
cuối
│
Với:
+ CP: là nhiệt dung riêng lưu lượng, CP = mCp (m: lưu lượng
khối
lượng, kg/s; Cp: nhiệt dung riêng lưu chất, KJ/kg
o
C ), [CP] :
[KW/
o
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
T
o
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:
T
o
C
Q
Hmin
Process
Pinch
A
3
A
6
A
1
A
2
DTmin
A
5
A
4
Q
Cmin
∆

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.
Q
Hmin
:
Lượng nhiệt cần bổ sung thêm vào (quá trình đun
nóng).
Q
Cmin
: 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:
Bản

g
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

4
Các quá trình ở nhiệt độ
thấp
3 –
5
Chi phí cho tác
nhân
làm nguội rất đắt
tiền,
DTmin càng nhỏ
nếu
nhiệt độ của tác
nhân
làm nguội
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
STT
Quá
trình DTmin
Ghi
chú
1
Cấp nhiệt bằng hơi
nước
10 – 20
0
C
Hệ số trao đổi nhiệt
lớn
2
Sử dụng tác nhân làm
nguội
3 – 5
0
C
Tốn chi
phí
3
Cấp nhiệt bằng khói
lò

40
0
C
Hệ số cấp nhiệt của
khói
lò
thấp
4
Sản xuất hơi nước bằng khói
lò
25 – 40
0
C
Hệ số trao đổi nhiệt
phía
hơi nước
lớn
5
Gia nhiệt không khí bằng khói
lò
50
0
C
Lượng nhiệt cung cấp
phụ
thuộc vào điểm sương
của
khói lò (Ăn
mòn)
6

Làm nguội bằng nước
sạch
15 – 20
0
C
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).
T C
QH
min
Si
nk
QC
m in
∆H KW
1.1.4 Nguyên tắc Pinch

[1]
Hình 1.4: Sink và
Source
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.
o
T C
Q
H
m in
+
α


+

γ
β

S in k
α
Q
C
m in
+
α


+


β
γ
∆
H
K

W
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:
C

h ú

t

h



í

c

h



:

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
80

0
C
C1
COND
60
0
C
HX
H
180
0
C
R2
120
0
C
100
0
C
R1
130
0
C
REB
HX C
30
0
C
120
0

C
40
0
C
Hình 1.6: Sơ đồ công
nghệ
o
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:
Bản

g
1

.

3

: Các số liệu từ sơ đồ công
nghệ
STT Dòng
T
ban
đầu
0
C
T
cuối
0
C
Lưu
lượng
m
(kg/h)
Cp
(kj/kg.
o
C)
CP = m x
Cp
(KW/
0
C)
Ghi

chú
1 Nóng 180 80
30 2
60
Làm
nguội
2 Nóng 130 40
40 3
120
Làm
nguội
3 Nguội 60 100 100 2.4 240
Gia
nhiệt
4 Nguội 30 120 50 2.16 108
Gia
nhiệt
Trong đó: m: Lưu lượng khối lượng
(kg/h)
Cp: nhiệt dung riêng Kj/Kg
0
C
Chọn DTmin = 10
0
C.
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
đồ thị T – H, sau đó cộng 2 đường này lại như sau: Khoảng nhiệt độ từ 40
0
C đến
80
0
C chỉ có dòng 2 được biểu diễn CP
nóng
= CP
2
= 40, khoảng nhiệt độ từ 80
0
C đến
130
0
C cả 2 dòng được biểu diễn và CP
∑nóng
= CP
1
+ CP
2
= 20 + 40 = 60, khoảng nhiệt
độ
từ 130
0
C đến 180
0

C chỉ có dòng 1 được biểu diễn CP
nóng
= CP
1
=
20
Bảng
1.4: Dữ liệu nhiệt của dòng
nóng
STT Dòng
T
ban
đầu
0
C
T
cuối
0
C
CP = m x
Cp
(KW/
0
C)
∆H = CP x (T
đầu
-
T
cuối
)

(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
200
160
140
150
120
100
50
0
1
2
0 5000 10000
15000
H
100
80
40
20
0
0 5000 10000 15000

20000
T
Hình 1.8: Dòng nóng 1 và
2
200
180
160
140
120
Đường
tổ
hợp nóng
(CP2)
100
80
60
40
20
0
(CP1)
(CP1 + CP2)
(1)
+
(2)
H
0 5000 10000 15000
20000
Hình 1.9: Đường tổ hợp
nóng
H

T
T
− 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 CP
nguội
= 36, khoảng
nhiệt
độ từ 60 đến 100 đường tổng của 3 và 4 được thể hiện CP
∑nguội
= CP
3
+ CP
4
= 80 +
36
= 116, khoảng nhiệt độ từ 100 đến 120 chỉ có dòng 4 được biểu diễn CP
nguội
= CP
4
=
36.
Bản

g
1

.

5

: Dữ liệu nhiệt của dòng
nguội
STT Dòng
T
ban
đầu
0
C
T
cuối
0
C
CP = m x
Cp
(KW/
0
C)
∆H = CP x (T
cuối
-
T
đầu
)
(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
140

120
100
80
60
40
20
0
Đường tổ hợp
lạnh
140
120
100
3
80
4
60
40
20
0
(CP4)
(3) +
(4)
(CP4)
(4)
0 5000 10000 15000 20000
25000
H
0 5000
10000 15000 20000 25000
H

sau:
Hình 1.10:Đường tổ hợp
nguội
− Chọn giá trị DTmin = 10
0
C. Đường tổ hợp nóng và nguội được mô tả
như
200
180
160
140
120
T
o

C
Giản
đồ
đường
tổ
hợp
ve
100
80
60
40
20
0
Process
Pinch

0
5000 10000 15000 20000
25000
∆
H
KW
Hình 1.11: Đường tổ hợp của 4 dòng công
nghệ
T
T
Hot Composite Curve
Cold Composite
Cur
DTmin =
10
Với ví dụ trên, chúng ta bước đầu đã tạo dựng được công cụ phục vụ cho
việc
phân tích Pinch, tuy nhiên để quá trình phân tích bằng kỹ thuật Pinch đạt hiệu quả
cao
và kinh tế nhất thì cần phải tuân thủ một số nguyên tắc được đưa ra dưới
đây.
1.2.2 Nguyên tắc khai thác dữ liệu từ sơ đồ công
nghệ
Tất cả những dữ liệu của các dòng công nghệ nóng, nguội và các dòng phụ
trợ,
các thông tin về chi phí của các dòng phụ trợ phải được khai thác đầy đủ và chính
xác.
Dữ liệu của các dòng công nghệ và phụ trợ bao gồm những thông tin về lưu
lượng,
nhiệt độ, độ nhớt, hệ số dẫn nhiệt, khối lượng riêng, nhiệt dung riêng là

những
thông
tin cần thiết để sử dụng kỹ thuật Pinch. Dữ liệu hoàn toàn có thể lấy ra từ
phương
trình
cân bằng vật chất và năng
lượng.[1]
Tất cả những dữ liệu mà người thiết kế khai thác từ sơ đồ công nghệ ảnh
hưởng
trực tiếp lên hiệu quả của hệ thống trao đổi nhiệt sẽ thiết kế nên bất kỳ một thông
tin
nào bị sai lệch sẽ làm cho kết quả thiết kế không còn chính
xác.
Sau đây, chúng ta sẽ khảo sát những nguyên tắc khai thác dữ liệu từ sơ đồ
công
nghệ để ứng dụng kỹ thuật Pinch. Những nguyên tắc bao gồm: Không tách các
dòng
có cùng tính chất nhiệt và hóa học trên sơ đồ công nghệ, không tổ hợp các
dòng
có
nhiệt độ khác nhau, không khai thác dữ liệu của các dòng phụ trợ thuần túy,
nhận
dạng
các dữ liệu “mềm”, nhiệt độ “có hiệu quả” của các dòng, đảm bảo tính
chính xác
của
dữ
liệu.
1.2.2.1 Không tách các dòng có cùng tính chất nhiệt và hóa học trên sơ đồ hiện
có

− Giả sử ta có mô hình công nghệ như hình
1.12:
Trong
đó:
+ Reactor 1,2: thiết bị phản ứng 1,
2.
+ : Năng lượng,
KW
Máy
nén
o
100
o
C
o
200 C
o
o
Reactor 1
250
o
1000
50 C
200 C
Nguyên liệu
4000
Reactor 2
o
250 C
100

o
1000
200 C
o
o
6000
Sản phẩm
50 C
Hình 1.12: Ví dụ về khai thác dữ liệu từ sơ đồ công
nghệ
− Chúng ta tiến hành khai thác dữ liệu từ sơ đồ trên hình 1.12 theo hai hướng
sau:
C
Nguyên li?u
C
Bì
nh
tá
ch
S?n ph?m
+ Khai thác dữ liệu dựa theo các dòng công nghệ nóng và nguội tại
các
thiết bị trao đổi nhiệt: Theo hướng này ta xẽ xây dựng được mô hình hệ thống trao
đổi
nhiệt (HEN) giống như mô hình sẵn có trên sơ đồ công nghệ (hình 1.13), các thông
tin
về các dòng công nghệ được trích ra ở bên trái và mô hình HEN sẵn có được thiết
kế
lại như bên
phải.

Như vậy, chúng ta mặc nhiên khẳng định rằng mô hình HEN sẵn có là tối ưu và
chúng
ta không hề áp dụng kỹ thuật phân tích Pinch trong mô hình này, mô hình này
không
tính đến việc cải thiện thu hồi năng
lượng.
+ Phương pháp xấp xỉ: Bằng kinh nghiệm và những hiểu biết cặn kẽ
tính
chất của các dòng công nghệ, chúng ta hoàn toàn có thể gộp các dòng có cùng
tính
chất lại với nhau thành một và đơn giản hóa được mô hình thiết kế như hình
1.14.
Ba dòng nguội (cần gia nhiệt) được gộp lại thành một dòng duy nhất thể
hiển
đầy đủ tính chất của cả ba dòng, bên cạnh đó ba dòng nóng cũng được gộp lại
thành
một dòng duy nhất với đầy đủ những thông tin của cả ba
dòng.
o
250
C
o
250
C
∆H =
1000
∆H =
1000
o
200

C
o
200
C
o
250
C
o
250
C
o
200
C
o
200
C
o
200
C
∆H =
6000
o
50
C
o
200
C
o
50
C

∆H =
6000
o
100
C
∆H =
1000
o
50
C
o
100
C
o
50
C
o
100
C
∆H =
1000
o
50
C
o
100
C
∆H =
1000
o

50
C
o
200
C
∆
H =
4000
o
100
C
o
200
C
∆H =
1000
o
100
C
∆
H =
4000
Hình 1.13: Khai thác dữ liệu từ sơ đồ gốc và thiết kế
HEN
Chú
thích:
− Các dòng màu đỏ là dòng công nghệ nóng (cần được làm
nguội)
− Các dòng màu xanh là dòng công nghệ nguội (dòng cần được
đun

nóng)
− Các thiết bị gia nhiệt được thể hiện bằng một vòng tròn và có dấu
mũi
tên
− Các thiết bị trao đổi nhiệt được thể hiện bằng 2 vòng tròn và có
đường
thảng nối ở
giữa.
Mô hình xấp xỉ đơn giản hơn mô hình cũ rất nhiều và dựa vào mô hình
này
chúng ta có thể áp dụng kỹ thuật phân tích của Pinch nhằm tối đa lượng nhiệt thu
hồi
GVHD: TS. Nguyễn Đình
Lâm
Trang
2222
SVTH: Nguyễn Thanh
Sang
và để tìm ra một giá trị rất quan trọng là DTmin, bằng cách xây dựng mối quan hệ
giữa
DTmin và chi phí đầu tư cũng như chi phí vận hành như trên hình
1.4.
o
250
C
∆H =
8000
o
50
C

o
200
C
o
50
C
∆H =
6000
o
200
C
∆H =
6000
o
50
C
o
200
C
∆H =
4000
∆H =
2000
o
50
C
Hình 1.14: Phương pháp khai thác dữ liệu áp dụng cho kỹ thuật
Pinch
1.2.2.2 Không tổ hợp các dòng có nhiệt độ khác
nhau

Trên sơ đồ công nghệ, các dòng công nghệ được phân ra và tổ hợp lại ở
các
nhiệt độ khác nhau là khá phổ biến. Nhưng chính điều này gây ra những khó khăn
cho
người thiết kế khi lọc dữ liệu để áp dụng kỹ thuật
Pinch.
Chúng ta có thể dễ dàng nhận thấy rằng khi hai dòng có nhiệt độ khác nhau
T
1
và T
2
(giả sử T
2
> T
1
) được gộp lại thành một dòng duy nhất có nhiệt độ T thì có
một
quá trình tất yếu xảy ra là có sự truyền nhiệt từ dòng có nhiệt độ lớn hơn (T
2
)
sang
dòng có nhiệt độ nhỏ hơn (T
1
). Như vậy chúng ta hoàn toàn có thể xem như là có
một
thiết bị trao đổi nhiệt giả định giữa 2 dòng đó [1], quá trình này được mô tả trên
hình
1.15.
Giả sử ta chọn điểm Pinch của dòng nóng là 100
o

C và điểm Pinch của
dòng
nguội là 90
o
C, DTmin = 10
o
C. Xét trên hình 1.15b, dòng 2 cần phải cấp nhiệt
cho
dòng 1 để dòng 1 đạt được điểm Pinch tại 90
o
C và sau đó cấp thêm một lượng
nhiệt
nữa để nâng nhiệt độ của dòng 1 lên 112
o
C như hình 1.15a, như vậy đã có một
lượng
nhiệt truyền từ phía Sink qua phía Source (Cross – Pinch) điều này vi phạm nguyên
tắc
Pinch, kết quả là làm tăng lượng nhiệt cần sử dụng cho cả quá
trình.
o
100
20
o
2
o
223
o
223
112

20
112
o
Cross Pinch
o
1
o
(a)
112
o
o
56
20
o
20
56
(b)
90
o
Hình 1.15: Thiết bị trao đổi nhiệt giả
định
Để tránh Cross Pinch khi tổ hợp hai hay nhiều dòng công nghệ chúng ta
cần
phải tổ hợp các dòng này ở cùng nhiệt độ như hình 1.15c dưới
đây:
o
o
20

o

2
112
o
112
o
20
o
112
o
Hình 1.15c: Tổ hợp 2 dòng công nghệ có cùng nhiệt độ
cuối
20

o
T
2
T
'
o
1
40
T
Hình 1.15d: Mô hình đúng khi tổ hợp các dòng công nghệ trong kỹ thuật
Pinch
Nguyên tắc này cho phép chúng ta tiết kiệm được năng lượng trong quá
trình
thiết kế HEN nhưng nó có thể làm thay đổi sơ đồ công nghệ hiện có. Vì vậy năng
suất
nhiệt của các thiết bị trao đổi nhiệt sẽ không còn phù hợp với dữ liệu của các
dòng

nữa.
1.2.2.3 Khai thác dữ liệu tại các nhiệt độ “có hiệu quả” của các dòng công
nghệ
Khi lọc dữ liệu từ sơ đồ công nghệ để áp dụng kỹ thuật Pinch, nhiệt độ
“hiệu
quả” của các dòng mới là giá trị quan trọng chứ không phải là nhiệt độ thực của
các
dòng.
[1]
Nhiệt độ thực của dòng công nghệ: Nhiệt độ thực của dòng công nghệ là
nhiệt
độ tại đầu vào và đầu ra ở mỗi thiết bị trao đổi
nhiệt.
Nhiệt độ “có hiệu quả”
[1]:
− Đối với dòng nóng: Nhiệt độ hiệu quả là nhiệt độ ứng với lượng
nhiệt
thực mà dòng nóng truyền cho dòng
nguội
− Đối với dòng nguội: Nhiệt độ hiệu quả là nhiệt độ ứng với lượng
nhiệt
cần thêm vào để nó đạt được nhiệt độ cần
thiết.
Ví dụ chúng ta có sản phẩm của một phản ứng cracking được lấy ra ở 1000
o
C
và được làm nguội đến 500
o
C lượng nhiệt mà nó mất đi được dùng để sản xuất
hơi

nước từ nước sạch có nhiệt độ 200
o
C như hình
1.16.
Tuy nhiên, dòng sản phẩm phản ứng có nhiệt độ 1000
o
C của phản ứng cracking
được
làm nguội nhanh do các sản phẩm của phản ứng lấy bớt nhiệt của phản ứng làm
cho
nhiệt độ có hiệu quả của nó không còn là 1000
o
C và 500
o
C nữa, nhiệt độ của nó
lúc
này được tính từ lượng nhiệt cung cấp để sản sinh hơi nước theo yêu cầu. Do vậy,
nếu
1
chúng ta lấy nhiệt độ thực của dòng sản phẩm phản ứng thì kết quả sẽ không
chính
xác.
Nước
sạch
1 0 0 0
C
5 0 0
C
Hơi nước bão hòa ở
2 0 0

o
C
Hình 1.16: Nhiệt độ có hiệu
quả
1.2.2.4 Đảm bảo tính chính xác của dữ liệu khi trích
xuất
Chúng ta biết rằng biến thiên ∆H thường là không tuyến tính trong các quá
trình
thực tế, đặc biệt là trong các quá trình có sự hóa hơi và ngưng tụ của các dòng
công nghệ.
Biến thiên ∆H phụ thuộc vào Cp, trong khi đó Cp lại là một hàm của nhiệt
độ,
Cp (T) = A + BT + CT
2
+ DT
3
, vì thế trong suốt quá trình trao đổi nhiệt của hai
dòng
công nghệ, Cp sẽ thay đổi theo. Do vậy, để kết quả tính toán không bị sai lệch
nhiều,
chúng ta phải chia dòng ra thành nhiều khoảng nhiệt độ khác nhau và xác định Cp
cho
từng đoạn để xây dựng đường cong đun nóng và làm nguội giả định. Chúng ta
cũng
cần chú ý rằng vị trí của đường cong giả định so với đường cong thực cũng là một
yếu
tố rất quan trọng và tuân theo quy tắc sau (hình
1.17):
T
e

x

tr

ac
ted
ho
t
c
om
po
site
cu

rv

e
a

c

tu

a
l
h
ot
co

m

p

os
ite
c

ur

ve
e
xtra
c
ted
co
ld
c
om
po
site
c

u

rv

e
ac

tua
l
co
ld
c
om
po
site
c

u

rv

e
H
K

W
Hình 1.17: Đường tổ hợp trích xuất và đường tổ hợp
thực
− Đường tổ hợp nóng thực (actual hot composite curve) phải nằm
trên
đường tổ hợp nóng trích xuất (extracted hot composite
curve)
− Đường tổ hợp nguội thực (actual cold composite curve) phải nằm
dưới
đường tổ hợp trích xuất (extracted cold composite
curve)
Nhìn từ đồ thị, chúng ta nhận thấy rằng nếu ở cùng một nhiệt độ thì lượng

nhiệt
mà dòng giả định mang theo là lớn hơn so với dòng thực và ngược lại nếu ở cùng
một
elthalpy thì nhiệt độ của dòng thực lại lớn hơn dòng giả (định đối với dòng nóng)
và
o
o