Đồ án tốt nghiệp ngành công nghệ chế biến dầu khí mô phỏng và đánh giá hiệu quả hệ thống thu hồi nhiệt của cụm phân tách sản phẩm phân xưởng cracking xúc tác cặn tại nhà máy lọc dầu bình sơn dung quất ở 2 chế đo

Đồ án tốt nghiệp

Ngành CNHH - Dầu & Khí

1

LỜI CẢM ƠN
Đồ án tốt nghiệp được xem như là một bước để kiểm tra, đánh giá khả năng
của sinh viên trước khi tốt nghiệp. Quá trình làm Đồ án tốt nghiệp đòi hỏi mỗi sinh
viên phải độc lập, chủ động tìm kiếm tài liệu, hệ thống lại kiến thức liên quan.
Nhưng để hoàn thành Đồ án đúng thời gian và đầy đủ mọi nhiệm vụ thì rất cần sự
giúp đỡ hướng dẫn của các thầy cô giáo. Thật vậy, trong quá trình làm Đồ án tôi đã
nhận được rất nhiều sự giúp đỡ. Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cô
TS Đặng Kim Hoàng, cô là giảng viên trực tiếp hướng dẫn tôi hoàn thành Đồ án
này, bên cạnh đó trong thời gian làm Đồ án cô luôn tận tình giúp đỡ tôi. Tôi cũng
xin gửi lời cám ơn đến tập thể quý thầy cô giáo trong khoa Hóa đã giúp tôi có
những kiến thức nền cơ bản về các quá trình trong công nghiệp Hóa học và đặc biệt
là các thầy cô giáo trong bộ môn Công nghệ Hóa học - Dầu và khí đã giúp tôi nắm
vững các kiến thức chuyên ngành phục vụ cho công việc trong tương lai.
Một lần nữa tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành nhất!

SVTH: Nguyễn Xuân Lỉnh_10H5

GVHD: TS Đặng Kim Hoàng


Đồ án tốt nghiệp

Ngành CNHH - Dầu & Khí

2

TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Năng lượng là một chủ đề rất nóng hiện nay. Hiện tại, nó không chỉ mang tính
kinh tế của một nhà máy, một vùng lãnh thổ, một quốc gia mà còn mang cả màu sắc
địa vị chính trị. Việc tranh giành các nguồn năng lượng kéo theo nhiều cuộc xung đột
giữa các công ty, các quốc gia. Vì vậy giải quyết năng lượng là một yêu cầu cấp thiết
cho sự phát triển bền vững. Tại Việt Nam, đề án tái cấu trúc nền kinh tế, ưu tiên phát
triển bền vững đã được Quốc hội thông qua năm 2012, cho thấy định hướng lâu dài
cho sự phát triển của các ngành công nghiệp của đất nước. Đó là trên phạm vi rộng,
trong phạm vi hẹp thì sao? Một nhà máy đưa vào hoạt động liệu nó đã được tối ưu
năng lượng hay chưa? Nếu đã được tối ưu thì bao nhiêu năng lượng đã được tiết kiệm?
Còn nếu chưa được tối ưu thì liệu có thể cải thiện được hiệu quả năng lượng của nó
hay không? Với một nhà máy như nhà máy lọc hóa dầu thì vấn đề này lại càng có ý
nghĩa. Việc đánh giá hiệu quả thu hồi nhiệt của nó cho phép ta xem xét và đưa ra các
giải pháp cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng, giảm chi phí sản xuất nâng cao tính
cạnh tranh sản phẩm, giảm phát thải đảm bảo các tiêu chuẩn của môi trường.
Kỹ thuật Pinch là phương pháp có cấu trúc chặt chẽ trong phân tích, đánh giá
hiệu quả hệ thống thu hồi nhiệt nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng một cách
toàn diện. Từ đó giảm chi phí tổng cho nhà máy, giảm được thời gian và nguồn lực cho
quá trình thiết kế. Trong đồ án này, chúng tôi tìm hiểu về lý thuyết kỹ thuật Pinch và
áp dụng vào phân tích hệ thống thu hồi nhiệt cụm thiết bị phân tách sản phẩm - phân
xưởng Cracking xúc tác cặn của nhà máy lọc dầu Bình Sơn - Dung Quất. Sau khi sử
dụng phần mềm Aspen HYSYS để mô phỏng lại cụm thiết bị phân tách sản phẩm phân xưởng Cracking xúc tác, chúng tôi tiến hành phân tích đánh giá hiệu quả thu hồi
nhiệt nhờ phần mềm Aspen Energy Analyzer, chúng tôi đã đưa ra được một số giá trị
tính toán kinh tế và kỹ thuật của hệ thống trao đổi nhiệt hiện tại, đồng thời đề xuất các
giải pháp cải thiện hệ thống và các giải pháp này đều mang lại hiệu quả so với thiết kế
ban đầu.

MỤC LỤC

SVTH: Nguyễn Xuân Lỉnh_10H5

GVHD: TS Đặng Kim Hoàng


Đồ án tốt nghiệp

Ngành CNHH - Dầu & Khí

3

DANH MỤC BẢNG BIỂU
DANH MỤC HÌNH VẼ

SVTH: Nguyễn Xuân Lỉnh_10H5

GVHD: TS Đặng Kim Hoàng


Đồ án tốt nghiệp

4

Ngành CNHH - Dầu & Khí

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
Kí hiệu

Giải 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

DTmin (∆Τmin)

Chênh lệch nhiệt độ nhỏ nhất giữa

Đơn vị

o

đường tổ hợp nóng và lạnh

C

HX

Thiết bị trao đổi nhiệt

HEN

Hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt (Heat Exchanger Network)

OC

Chi phí vận hành (Operation Cost)

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)

$/s

ξ

Hệ số chi phí hằng năm (Annualization Factor)

1/năm

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

$/s

% CCNet /năm

(Column Grand Composite Curve)
HPS

Hơi nước áp suất cao (High Pressure Steam)

LPS

Hơi nước áp suất thấp (Low Pressure Steam)

CW

Nước làm mát (Cooling water)

Cp

Nhiệt dung riêng khối lượng

KJ/kg oC

CP = mCp

Nhiệt dung riêng lưu lượng

KJ/h oC

m

Lưu lượng khối lượng

Nu,min

Số lượng thiết bị trao đổi nhiệt tối thiểu

Nts

Số lượng các dòng công nghệ và phụ trợ

SVTH: Nguyễn Xuân Lỉnh_10H5

kg/h

GVHD: TS Đặng Kim Hoàng


Đồ án tốt nghiệp

5

Ngành CNHH - Dầu & Khí

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

$/s

MER

Năng lượng tối đa thu hồi được
(Maximum Energy Recovery)

KW

GCC

Đường tổ hợp Grand (Grand Composite Curve)

Eex

Năng lượng tiêu thụ của HEN sẵn có

BFW

Boiler Feed Water

TBTĐN

Thiết bị trao đổi nhiệt

A2

Diện tích bề mặt mới

A1

Diện tích bề mặt cho quá trình thiết kế mới ứng
với năng lượng tiêu thụ Eret

QEx

Lượng nhiệt trao đổi

Uh , U c , U

Hệ số trao đổi nhiệt tổng

∆H

Biến thiên Enthalpy

Ns

Số lượng Shell

SVTH: Nguyễn Xuân Lỉnh_10H5

KW

m2

m2
KW
Kcal/h.m2C
KW

GVHD: TS Đặng Kim Hoàng


Đồ án tốt nghiệp

6

Ngành CNHH - Dầu & Khí

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. Do đó, tiết kiệm 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 giảm chi phí
cho quá trình đun nóng và làm nguội.
Hiện nay, một kỹ thuật đã và đang được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp để
tối ưu hệ thống thu hồi năng lượng, 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, đó là kỹ thuật Pinch. Kỹ thuật này được xây dựng dựa
trên lý thuyết của Linnhoff March. Và cũng chính vì sự phát triển sản xuất và những
ưu điểm của kỹ thuật này mà đã có nhiều phần mềm được xây dựng nhằm đơn giản
hóa việc áp dụng kỹ thuật Pinch, một trong những phần mềm đó là Aspen Energy
Analyzer.
Đề tài của tôi là: “Mô phỏng và đánh giá hiệu quả hệ thống thu hồi nhiệt của
cụm phân tách sản phẩm - phân xưởng Cracking xúc tác cặn tại nhà máy lọc dầu
Bình Sơn - Dung Quất ở 2 chế độ vận hành dầu Bạch Hổ - tối đa xăng và dầu Bạch
Hổ - tối đa Diesel”, trên cơ sở kiến thức cơ bản của kỹ thuật Pinch, ứng dụng phần
mềm Aspen HYSYS, Aspen Energy Analyzer.
Đồ án bao gồm 4 phần chính:
− Giới thiệu về kỹ thuật Pinch, lý thuyết và ứng dụng trong công nghệ hóa

học.

SVTH: Nguyễn Xuân Lỉnh_10H5

GVHD: TS Đặng Kim Hoàng


Đồ án tốt nghiệp

7

Ngành CNHH - Dầu & Khí

− Sử dụng phần mềm Aspen HYSYS để mô phỏng cụm phân tách sản

phẩm - phân xưởng Cracking xúc tác cặn tại nhà máy lọc dầu Dung Quất
ở hai chế độ vận hành dầu Bạch Hổ - tối đa xăng và dầu Bạch Hổ - tối đa
diesel.
− Ứng dụng kỹ thuật Pinch và phần mềm Aspen Energy Analyzer để đánh

giá hiệu quả thu hồi nhiệt của cụm thiết bị.
− Đề xuất các giải pháp cải thiện hiệu quả thu hồi nhiệt của cụm thiết bị.

Tôi chân thành cảm ơn cô TS Đặng Kim Hoàng đã giúp tôi hoàn thành đồ án
này.
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 01 tháng 06 năm 2015
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Xuân Lỉnh

SVTH: Nguyễn Xuân Lỉnh_10H5

GVHD: TS Đặng Kim Hoàng


Đồ án tốt nghiệp

8

Ngành CNHH - Dầu & Khí

Chương 1 : TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT PINCH
1.1. Khái niệm và nguyên tắc của kỹ thuật Pinch
1.1.1. Khái niệm kỹ thuật Pinch
Kỹ thuật Pinch [1, 4, 19] là một kỹ thuật phân tích hệ thống để đưa ra phương
pháp tiết kiệm năng lượng trong một cụm thiết bị hay toàn bộ quá trình công nghệ.
Kỹ thuật Pinch dựa trên phương trình cân bằng vật chất và năng lượng. Sau khi
cân bằng vật chất và năng lượng được thiết lập, kỹ thuật Pinch sẽ phân tích và tính
toán tổng lượng nhiệt tối đa có thể thu hồi, lượng nhiệt tối thiểu cho các quá trình đun
nóng và làm lạnh 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 cong tổ hợp của các dòng nóng và dòng lạnh.
1.1.2. Xây dựng giản đồ đường cong tổ hợp
Sau khi thiết lập cân bằng vật chất và năng lượng, chúng ta tiến hành xây dựng
đường cong tổ hợp cho các dòng nóng và lạnh trên đồ thị Nhiệt độ-Enthanpy (T–H),
với các giả thiết sau:
+

Nhiệt dung riêng của lưu chất là một hằng số trong một khoảng biến thiên
nhiệt độ dT.

+ Không có sự mất mát nhiệt (hiệu suất quá trình trao đổi nhiệt là 100%).
+

Lượng nhiệt dòng nóng nhường hay dòng lạnh nhận được tính theo công
thức: ∆H = CP│Tđầu - Tcuối│.

Với:
-

CP: là nhiệt dung riêng lưu lượng, CP = mCp (m: lưu lượng khối
lượng, Kg/s; Cp: nhiệt dung riêng lưu chất, KJ/kgoC ), [CP] : [KW/oC]

-

∆H: Biến thiên Enthalpy, KW.

Đường cong tổ hợp được phân thành 2 loại bao gồm :
+ Đường cong tổ hợp nóng.
SVTH: Nguyễn Xuân Lỉnh_10H5

GVHD: TS Đặng Kim Hoàng


Đồ án tốt nghiệp

9

Ngành CNHH - Dầu & Khí

+ Đường cong tổ hợp lạnh.
Xây dựng đường cong tổ hợp: Đường tổ hợp được xây dựng dựa trên phương
trình cân bằng vật chất và năng lượng. Giản đồ đường cong tổ hợp nóng và lạnh trên
đồ thị T – H có dạng như hình 1.1.

Hình 1.1: Giản đồ đường cong tổ hợp
-

Ý nghĩa của việc xây dựng đường tổ hợp được thể hiện như hình 1.2.

Hình 1.2: Bề mặt trao đổi nhiệt và lượng nhiệt cung cấp của quá trình
Hình 1.2 cho thấy 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 (làm lạnh).
− 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 (HEN).

SVTH: Nguyễn Xuân Lỉnh_10H5

GVHD: TS Đặng Kim Hoàng


Đồ án tốt nghiệp

10

Ngành CNHH - Dầu & Khí

1.1.3. Khái niệm DTmin và điểm Pinch
DTmin



-

Khái niệm: DTmin là chênh lệch nhiệt độ nhỏ nhất giữa 2 đường
cong tổ hợp nóng và lạnh tại cùng một giá trị biến thiên Enthanpy
ΔH (hình 1.2).

+

Xác định DTmin:

Ứng với mỗi giá trị DTmin ta có diện tích bề mặt truyền nhiệt tổng tương

ứng của hệ thống, chi phí tổng 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 [1] 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 (oC)

Ghi chú

11

Lọc dầu

20 – 40

Hệ số trao đổi nhiệt thấp, hai đường
tổ hợp gần như song song nhau, có
sự đóng cặn trong HEN

22

Hóa dầu

10 – 20

Hệ số trao đổi nhiệt cao và ít đóng
cặn

33

Hóa học

10 – 20

Hệ số trao đổi nhiệt cao và ít đóng
cặn

44

Các quá trình ở
nhiệt độ thấp

3–5

Chi phí cho tác nhân làm lạnh rất đắt
tiền, DTmin càng nhỏ nếu nhiệt độ
của tác nhân làm lạnh thấp.

Tùy thuộc vào HEN, lượng nhiệt thu hồi, phương thức gia nhiệt, phương thức
làm lạnh, 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 lạnh theo phương song song với trục hoành đến khi thỏa 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 và lấy đi khỏi quá trình.
+

DTmin tối ưu: Ứng với mỗi giá trị DTmin ta xác định được bề mặt truyền

nhiệt tổng (A), chi phí năng lượng và chi phí đầu tư ban đầu. Xây dựng đồ thị phụ

SVTH: Nguyễn Xuân Lỉnh_10H5

GVHD: TS Đặng Kim Hoàng


Đồ án tốt nghiệp

11

Ngành CNHH - Dầu & Khí

thuộc giữa các thông số trên sao cho để tìm được giá trị DTmin tối ưu. Đồ thị quan hệ
thực nghiệm giữa các đại lượng trên có dạng như hình 1.3:

Hình 1.3: Quan hệ giữa DTmin và chi phí
Sau khi xác định được DTmin tối ưu của quá trình, chúng ta 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 tắc
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 khác nhau
T
T

Quá trình

1 Cấp nhiệt bằng hơi
1 nước
2

2 Sử dụng tác nhân làm
lạnh

3 Cấp nhiệt bằng khói
3 lò

SVTH: Nguyễn Xuân Lỉnh_10H5

DTmin
10 – 200C

3 – 50C
40 0C

Ghi chú
Hệ số trao đổi nhiệt lớn
Tốn chi phí
Hệ số cấp nhiệt của khói lò thấp

GVHD: TS Đặng Kim Hoàng


Đồ án tốt nghiệp

12

Ngành CNHH - Dầu & Khí

4 Sản xuất hơi nước
bằng khói lò

25 – 400C

5 Gia nhiệt không khí
5 bằng khói lò

0

50 C

Lượng nhiệt cung cấp phụ thuộc

vào điểm sương của khói lò (Ăn
mòn)

6 Làm lạnh bằng nước
6 sạch

15 – 200C

Lượng nước dùng tùy thuộc vào
thời tiết.

4

Hệ số trao đổi nhiệt phía hơi nước
lớn

 Điểm Pinch
-

Khái niệm: Điểm Pinch là điểm mà tại đó chênh lệch nhiệt độ
nhỏ nhất giữa đường tổ hợp nóng và đường tổ hợp lạnh đạt
được DTmin (hình 1.2).[1]

-

Điểm Pinch chia hệ thống thành 2 phần: Phần phía trên điểm
Pinch (phần nhận nhiệt) và phần dưới điểm Pinch (phần cấp
nhiệt).

1.1.4. Nguyên tắc Pinch

Giả sử có một lượng nhiệt α truyền từ phần phía trên điểm Pinch sang phần
phía dưới điểm Pinch như vậy ta cần cung cấp thêm một lượng nhiệt đúng bằng α từ
bên ngoài vào phần phía trên điểm Pinch để đảm bảo quá trình đun nóng. Phần phía
dưới điểm Pinch sẽ nhận được lượng nhiệt bằng α từ phần phía trên điểm Pinch nên
cũng cần thêm tác nhân làm lạnh để lấy đi lượng nhiệt α do phần trên điểm Pinch cung
cấp. Như vậy cần phải cung cấp thêm tác nhân nóng và lạnh cho quá trình. Nếu cung
cấp cho phần phía dưới điểm Pinch một lượng nhiệt β và lấy bớt ở phần phía trên điểm
Pinch một lượng nhiệt bằng γ như vậy cũng đồng nghĩa ta phải thêm tác nhân nóng để
cấp nhiệt cho phần phía trên điểm Pinch và tác nhân lạnh để làm lạnh phần phía dưới
điểm Pinch.
Để đạt được mục tiêu kinh tế và năng lượng, kỹ thuật Pinch yêu cầu một số
nguyên tắc cần phải tuân thủ bao gồm:
 Không có sự truyền nhiệt từ phần phía trên xuống phía dưới điểm Pinch
 Không có quá trình làm lạnh ở phía trên điểm Pinch
 Không có quá trình đun nóng ở phía dưới điểm Pinch

SVTH: Nguyễn Xuân Lỉnh_10H5

GVHD: TS Đặng Kim Hoàng


Đồ án tốt nghiệp

13

Ngành CNHH - Dầu & Khí

Vi phạm bất kỳ nguyên tắc nào ở trên cũng đều dẫn đến sự truyền nhiệt cắt qua
Pinch và làm tăng chi phí năng lượng. Các nguyên tắc được minh họa trên hình 1.4.

Hình 1.4: Những trường hợp vi phạm quy tắc Pinch

1.2. Khai thác dữ liệu từ sơ đồ công nghệ để áp dụng vào kỹ thuật
Pinch
1.2.1. Ví dụ mở đầu
Giả sử ta có sơ đồ công nghệ như hình 1.5.
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

SVTH: Nguyễn Xuân Lỉnh_10H5

GVHD: TS Đặng Kim Hoàng


Đồ án tốt nghiệp

14

Ngành CNHH - Dầu & Khí

Hình 1.5: Sơ đồ công nghệ ví dụ

0

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 hình 1.6:

Hình 1.6: Sơ đồ công nghệ ví dụ đơn giản
Trong đó:
− Cool: Làm lạnh
− Heat: Đun nóng

SVTH: Nguyễn Xuân Lỉnh_10H5

GVHD: TS Đặng Kim Hoàng


Đồ án tốt nghiệp


15

Ngành CNHH - Dầu & Khí

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 lạnh của hệ thống. Với ví
dụ trên, các dòng công nghệ trong sơ đồ được trình bày trong bảng 1.1 dưới đây:
Bảng 1.3: Các số liệu từ sơ đồ công nghệ
STT

Dòng

1

Tban đầu
0

Tcuối
0

CP = m x
Cp (KW/0C)

Ghi chú

( C)

( C)

Nóng

180

80

20

Làm lạnh

2

Nóng

130

40

40

Làm lạnh

3

Lạnh

60

100

80

Gia nhiệt

4

Lạnh

30

120

36

Gia nhiệt

Chọn DTmin = 100C.
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.
 Xây dựng đường cong tổ hợp

Xây dựng đường cong tổ hợp cho 2 dòng nóng 1 và 2: Biểu diễn dòng 1 và 2
trên đồ thị T - H, sau đó tổ hợp 2 đường này lại như sau: Khoảng nhiệt độ từ 40 0C đến
800C chỉ có dòng 2 được biểu diễn CP nóng = CP2 = 40, khoảng nhiệt độ từ 800C đến
1300C cả 2 dòng được biểu diễn và CP∑nóng = CP1 + CP2 = 20 + 40 = 60, khoảng nhiệt
độ từ 1300C đến 1800C chỉ có dòng 1 được biểu diễn CPnóng = CP1 = 20.
Bảng 1.4: Dữ liệu nhiệt của dòng nóng
ST
T
1
2

Dòn
g
Nón
g
Nón
g

Tban đầu(0C)

Tcuối(0C)

180

80

130

40

CP=mxCp(KW/0C) ΔH=CPx(Tđầu -Tcuối)(KW)
20
40

2000
3600

Hai dòng nóng 1 và 2 và đường cong tổ hợp được mô tả trên hình 1.7.

SVTH: Nguyễn Xuân Lỉnh_10H5

GVHD: TS Đặng Kim Hoàng


Đồ án tốt nghiệp

16

Ngành CNHH - Dầu & Khí

Hình 1.7: Đường cong tổ hợp nóng
Xây dựng đường cong tổ hợp lạnh cho hai dòng lạnh 3 và 4: Tiến hành tương tự,
khoảng nhiệt độ 30 đến 60oC chỉ có dòng 4 được biểu diễn CP lạnh = 36, khoảng nhiệt độ

từ 60 đến 100oC đường tổng của 3 và 4 được thể hiện CP ∑lạnh = CP3 + CP4 = 80 + 36 =
116, khoảng nhiệt độ từ 100 đến 120 chỉ có dòng 4 được biểu diễn CPlạnh = CP4 = 36.
Bảng 1.5: Dữ liệu nhiệt của dòng lạnh
ST
T
3

3
4

4

Dòng

Tban đầu(0C)

Tcuối(0C)

CP=mxCp(KW/0C)

ΔH=CPx(Tcuối-Tđầu)(KW)

Lạnh

60

100

80

3200

Lạnh

30

120

36

3240

Đường tổ hợp của 2 dòng công nghệ (3) và (4) được mô tả như trên hình 1.8
dưới đây:

Hình 1.8: Đường cong tổ hợp lạnh
−

Với giá trị DTmin = 100C. Đường cong tổ hợp nóng và lạnh được mô tả như
hình 1.9:

SVTH: Nguyễn Xuân Lỉnh_10H5

GVHD: TS Đặng Kim Hoàng


Đồ án tốt nghiệp

17

Ngành CNHH - Dầu & Khí

Hình 1.9: Giản đồ đường cong tổ hợp
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, lạnh 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 [1,2] 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.
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 hiệu quả của các dòng, đảm bảo tính chính xác của dữ liệu.
SVTH: Nguyễn Xuân Lỉnh_10H5

GVHD: TS Đặng Kim Hoàng


Đồ án tốt nghiệp

18

Ngành CNHH - Dầu & Khí

 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 1.10:

Trong đó:
+ Reactor 1,2: thiết bị phản ứng 1, 2.
+

: Năng lượng, KW.

Hình 1.10: 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 1.10 theo hai hướng sau:
+

Khai thác dữ liệu dựa theo các dòng công nghệ nóng và lạnh 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 1.11), 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 1.12.

SVTH: Nguyễn Xuân Lỉnh_10H5

GVHD: TS Đặng Kim Hoàng


Đồ án tốt nghiệp

19

Ngành CNHH - Dầu & Khí

Ba dòng lạnh (cần gia nhiệt) được gộp lại thành một dòng duy nhất thể hiện đầy
đủ tính chất của cả ba dòng, bên cạnh đó ba dòng nóng cũng được gộp lại thành một
dòng duy nhất mang đầy đủ những thông tin của cả ba dòng.

o

∆H = 1000

200 C

o

∆H = 1000

200 C

o

∆H = 6000

50 C

250 C

250 C

200 C

o

o

o

o

o

200 C

o

200 C

250 C

o

250 C

o

o

50 C

200 C

∆H = 6000

o

∆H = 1000

100 C

o

50 C

o

o

50 C

100 C

∆H = 1000
o

∆H = 1000

50 C

o

∆H = 4000

100 C

100 C

o

o

o

50 C

100 C

∆H = 1000
200 C

o

o

o

100 C

200 C

∆H = 4000

Hình 1.11: Khai thác dữ liệu từ sơ đồ gốc và thiết kế HEN
Chú thích:
−

Các dòng phía trên là dòng công nghệ nóng (cần được làm lạnh).

−

Các dòng phía dưới là dòng công nghệ lạnh (dòng cần được gia nhiệt).

−

Các thiết bị gia nhiệt, làm lạnh 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

thẳng 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
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 (hình 1.12).

SVTH: Nguyễn Xuân Lỉnh_10H5

GVHD: TS Đặng Kim Hoàng


Đồ án tốt nghiệp

o

250 C

20

∆ H = 8000

o

50 C

Ngành CNHH - Dầu & Khí

o

o

50 C

200 C

∆ H = 6000

o

200 C

∆ H = 6000

o

50 C

o

∆ H = 4000

o

50 C

200 C

∆ H = 2000

Hình 1.12: Phương pháp khai thác dữ liệu áp dụng cho kỹ thuật Pinch
 Không trộn các dòng có nhiệt độ khác nhau

Trên sơ đồ công nghệ, các dòng công nghệ được phân ra và trộn 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
T2 (giả sử T2 > T1) 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 (T1). Như vậy chúng ta hoàn toàn có thể xem như là có một thiết bị
trao đổi nhiệt giả định giữa 2 dòng đó, quá trình này được mô tả trên hình 1.13.
Giả sử ta chọn điểm Pinch của dòng nóng là 100oC và điểm Pinch của dòng lạnh
là 90oC, DTmin = 10oC. Xét trên hình 1.13b, dòng 2 cần phải cấp nhiệt cho dòng 1 để
dòng 1 đạt được điểm Pinch tại 90oC và sau đó cấp thêm một lượng nhiệt nữa để nâng
nhiệt độ của dòng 1 lên 112oC như hình 1.13a, như vậy đã có một lượng nhiệt truyền
từ phía trên điểm Pinch qua phía dưới điểm Pinch (Cross–Pinch) điều này vi phạm
nguyên tắc Pinch, kết quả là làm tăng lượng nhiệt cần sử dụng cho cả quá trình.

Hình 1.13 a&b: Thiết bị trao đổi nhiệt giả định

SVTH: Nguyễn Xuân Lỉnh_10H5

GVHD: TS Đặng Kim Hoàng


Đồ án tốt nghiệp

21

Ngành CNHH - Dầu & Khí

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 1.13c dưới đây:

20

o

112

2

o

112

20

o

1

112

o

o

Hình 1.13c: Tổ hợp 2 dòng công nghệ có cùng nhiệt độ cuối

o

20

2

T

T'

o

40

1

T

Hình 1.13d: 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.


Khai thác dữ liệu tại các nhiệt độ 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.
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 hiệu quả:
−

Đối với dòng nóng: Nhiệt độ hiệu quả là nhiệt độ ứng với lượng nhiệt thực

mà dòng nóng truyền cho dòng lạnh

SVTH: Nguyễn Xuân Lỉnh_10H5

GVHD: TS Đặng Kim Hoàng


Đồ án tốt nghiệp
−

22

Ngành CNHH - Dầu & Khí

Đối với dòng lạnh: 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 oC và
được làm lạnh đến 500oC lượng nhiệt mà nó mất đi được dùng để sản xuất hơi nước có
nhiệt độ 200oC như hình 1.14.
Tuy nhiên, dòng sản phẩm phản ứng có nhiệt độ 1000 oC của phản ứng cracking
được làm lạnh 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 oC và 500oC 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 chúng ta lấy nhiệt độ thực của dòng sản phẩm phản ứng thì kết quả sẽ không chính
xác.

Hình 1.14: Nhiệt độ hiệu quả
Đảm bảo tính chính xác của dữ liệu khi trích xuất



Chúng ta biết rằng biến thiên ΔH 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 ΔH phụ thuộc vào Cp, trong khi đó Cp lại là một hàm của nhiệt độ,
Cp (T) = A + BT + CT2 + DT3, 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 lạnh giả định. 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 1.15):

SVTH: Nguyễn Xuân Lỉnh_10H5

GVHD: TS Đặng Kim Hoàng


Đồ án tốt nghiệp

23

Ngành CNHH - Dầu & Khí

Hình 1.15: Đường tổ hợp trích xuất và đường tổ hợp thực
−

Đường cong tổ hợp nóng thực phải nằm trên đường cong tổ hợp
nóng trích xuất.

−

Đường tổ hợp lạnh thực phải nằm dưới đường cong tổ hợp lạnh trích
xuất.

Nhìn từ đồ thị, nếu ở cùng một Enthanpy thì nhiệt độ của dòng thực lại lớn hơn
dòng giả định trích xuất đối với dòng nóng và nhỏ hơn dòng trích xuất đối với dòng
lạnh. Điều này hoàn toàn phù hợp vì như đã giải thích ở trên, Cp là một hàm của nhiệt
độ trong khi đó chúng ta lại chấp nhận giả thiết là Cp là hằng số trong suốt quá trình và
sự thay đổi Enthanpy là tuyến tính.
 Không trích xuất dữ liệu của các dòng phụ trợ thuần túy

Dòng phụ trợ thuần túy là những dòng mà về nguyên tắc hoàn toàn có thể thay
bằng một dòng phụ trợ khác cho mục đích trao đổi nhiệt. Và vì vậy chúng ta không
được phép mô tả nó lên đường tổ hợp của quá trình.
Ví dụ chúng ta sử dụng không khí để làm lạnh, ngưng tụ một dòng công nghệ,
khi đó chúng ta hoàn toàn có thể thay thế không khí trong thiết bị đó bằng một tác
nhân khác như là nước hay là một tác nhân làm lạnh khác. Trong trường hợp này,
không khí là một dòng phụ trợ và cũng là một tác nhân làm lạnh thuần túy và không
được mô tả lên đường tổ hợp của quá trình.

SVTH: Nguyễn Xuân Lỉnh_10H5

GVHD: TS Đặng Kim Hoàng


Đồ án tốt nghiệp

24

Ngành CNHH - Dầu & Khí

Nhưng khi dòng phụ trợ tham gia vào quá trình như là một dòng công nghệ và
không thể thay thế bằng một tác nhân khác thì phải mô tả nó lên trên sơ đồ công nghệ.
Ví dụ với phản ứng Shift:
CO + H2O ⇔ CO2 + H2
Hơi nước dùng cho phản ứng này được tạo ra từ nước sạch và tham gia vào phản
ứng này như là một phần không thể thay thế bằng một tác nhân nào khác, nên nó phải
được biểu diễn lên đường tổ hợp của quá trình như là một phần của đường tổ hợp lạnh.
 Nhận dạng dữ liệu mềm khi trích xuất

Điều kiện nhiệt độ, áp suất và Enthanpy của một số dòng công nghệ trong quá
trình có thể thay đổi được trong một giới hạn nhất định. Ba thông số trên được gọi là
dữ liệu mềm trong quá trình trích xuất dữ liệu phục vụ cho kỹ thuật Pinch. Ví dụ: Áp
suất đầu ra của một bơm thể tích phải nằm trong một giới hạn nhất định để đảm bảo
không có sự hoá hơi nguyên liệu tại cửa vào của bơm; hay nhiệt độ của dòng sản phẩm
vào kho cũng có thể thay đổi trong một giới hạn nhất định. Đối với dữ liệu mềm,
chúng ta cần trích xuất sao cho tổng năng lượng cung cấp cho quá trình là nhỏ nhất.

1.3. Sử dụng nhiều tác nhân cho quá trình đun nóng và làm l ạnh
1.3.1. Biểu diễn trên giản đồ đường cong tổ hợp
Giả sử nếu ta chỉ sử dụng một loại hơi cao áp (HPS) cho quá trình đun nóng ở
phần phía trên điểm Pinch khi mà nhiệt độ của đường cong tổ hợp lạnh còn thấp thì sẽ
rất tốn kém vì chi phí cho quá trình sản xuất hơi cao áp đắt hơn rất nhiều so với chi phí
cho quá trình sản xuất hơi áp suất trung bình (MPS) hay hơi thấp áp (LPS). Như vậy,
để đảm bảo tính kinh tế cho quá trình thiết kế, cần giảm thiểu tối đa các nguồn phụ trợ
đắt tiền và thay vào đó bằng các nguồn rẻ tiền hơn. Chúng ta mong muốn sử dụng hơi
áp thấp và trung bình cho quá trình đun nóng cũng như sử dụng nước và không khí cho
quá trình làm lạnh để giảm chi phí.
Biểu diễn quá trình sử dụng nhiều loại hơi trên giản đồ T–H như hình 1.16

Với các quá trình cần có tác nhân nung nóng có nhiệt độ cao hơn hoặc cần làm
lạnh xuống dưới nhiệt độ môi trường khi đó ta không chỉ sử dụng một loại tác nhân
nóng hay lạnh duy nhất mà là tổ hợp của nhiều tác nhân khác nhau, việc biểu diễn
nhiều tác nhân như vậy lên trên đường cong tổ hợp sẽ làm cho đồ thị hết sức phức tạp.
SVTH: Nguyễn Xuân Lỉnh_10H5

GVHD: TS Đặng Kim Hoàng


Đồ án tốt nghiệp

25

Ngành CNHH - Dầu & Khí

Hình 1.16: Sử dụng nhiều tác nhân đun nóng
Để biểu diễn nhiều tác nhân đun nóng hay làm lạnh cho quá trình lên cùng một
giản đồ, chúng ta sử dụng giản đồ Grand (GCC)
1.3.2. Biểu diễn trên giản đồ đường tổ hợp Grand
Mục đích: Đường tổ hợp Grand giúp dễ dàng quan sát khi sử dụng nhiều tác
nhân nung nóng và làm lạnh trong quá trình. Bên cạnh đó, đường tổ hợp Grand giúp
đỡ người thiết kế lựa chọn các nguồn tác nhân cho quá trình đun nóng và làm lạnh.

Hình 1.17: Giản đồ đường cong dịch chuyển
Để dễ quan sát, ta phóng to hình 1.17 (phần bên phải) như hình 1.18 dưới đây.

SVTH: Nguyễn Xuân Lỉnh_10H5

GVHD: TS Đặng Kim Hoàng