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

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


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

$



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

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

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

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


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
-


-

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

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

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

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.


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

130

40

40

Làm lạnh

3

Lạnh

60

100

80

Gia nhiệt

4

Lạnh

30

120

36



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

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

 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.

∆H = 6000

50 C

250 C

250 C

200 C

o

o

o

o

o

200 C

o

200 C

250 C

o


∆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



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


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


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




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.


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