MỘT SỐ KÍ HIỆU DÙNG TRONG ĐỒ ÁNKí h iệu G iải th ích Đơ n v ị COND Thiết bị ngưng tụ đỉnh Thiết bị trao đổi nhiệt Hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt Heat Exchanger Network CC Chi phí đầu t
Trang 1MỤC 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 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
Trang 21.7.4.1 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
Trang 3DANH 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
Trang 4DANH 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 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
Trang 5trợ 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
Trang 6Hình 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 QH, QC 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
Trang 7MỘT SỐ KÍ HIỆU DÙNG TRONG ĐỒ ÁN
Kí h iệu G iải th ích Đơ n v ị
COND Thiết bị ngưng tụ đỉnh
Thiết bị trao đổi nhiệt
Hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt (Heat Exchanger Network)
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
(Exchanger Minimum Approach Temperature)
Hệ số chi phí hằng năm (Annualization Factor) 1/năm
ROR Tốc độ hoàn vốn (Rate Of Return) % CCNet /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
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
Trang 9Tđầu (tđầu), Tcuối (tcuối )
At Diện tích bề mặt cho quá trình thiết kế mới ứng với năng lượng tiêu thụ Eex m 2
A1 Diện tích bề mặt cho quá trình thiết kế mới ứng với năng lượng tiêu thụ Eret m 2
KW
Uh , Uc , U Hệ số trao đổi nhiệt tổng Kcal/h.m 2 C
Ti Nhiệt độ đầu của các dòng o C
Ts Nhiệt độ cuối của các dòng o C
Ts-d Nhiệt độ cuối mong muốn đạt được của các dòng o C
Ts-c Nhiệt độ cuối tính toán được ở chế độ vận hành o C
DTh,mi n = (Tđầu - tcuối ) 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
Q Ex – 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 KW KW
T Sai số của nhiệt độ cuối của các dòng khi thiết kế và vận hành %
Q Sai số của lượng nhiệt trao đổi của các thiết bị khi thiết kế và vận hành %
A Sai số của diện tích của các thiết bị khi thiết kế và vận hành %
TK Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt thiết kế
m 2
VH Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt vận hành
m 2
Trang 10LỜI 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 rađạt hiệu quả và đảm bảo thu được các sản phẩm có chất lượng tốt đáp ứng nhu cầu thịtrường Dòng sản phẩm ra khỏi các thiết bị của quá trình thường có nhiệt độ cao và cầnđược 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 mộtđơn vị sản phẩm vì vậy nếu chi phí cho quá trình đun nóng và làm nguội đắt tiền thìsản phẩm bán ra thị trường có giá cao, tính cạnh tranh thấp Vì vậy, tiết kiêm nănglượng tiêu thụ là một vấn đề rất quan trọng có ảnh hưởng lớn đến lợi nhuận và sựtồn tại của nhà máy Để làm được việc này, chúng ta cần phải thiết kê hệ thống traođổi nhiệt để tận dụng nhiệt của các dòng nóng để gia nhiệt nguyên liệu làm gảm chiphí 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 dòngsản 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 nănglượng tiêu tốn cho các quá trình trong công nghệ hoá học tuy nhiên lượng nhiệt tậndụng 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 đổinhiệt, nhằm tận dụng tối đa lượng nhiệt có thể thu hồi được từ quá trình qua đó làmgiảm chi phí cho quá trình đun nóng và làm lạnh, tiến đến làm giảm chi phí tổngcủa 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 làtrong lĩnh vực lọc dầu Bằng cách xây dựng đường tổ hợp (Composite curve và Grandcomposite curve) cho các dòng công nghệ nóng và nguội trong quá trình, kỹ thuậtPinch technology giúp chúng ta tính toán lượng nhiệt cần cấp thêm vào hay lấy bớt rakhỏi quá trình một cách dễ dàng thông qua lựa chọn giá trị Dtmin thích hợp của hệthống 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 phỏngphana xưởng CDU, phần mềm Aspen HX – Net để tính toán lượng nhiệtthu hồi của phân xưởng CDU
Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo, TS Nguyễn Đình Lâm, kỹ sư Lê HồngNguyên đã giúp tôi hoàn thành đồ án này đúng hạn
Trang 11Trong 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
Trang 121.1 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 nhiệttối đa có thể thu hồi, chi phí cho các quá trình đun nóng và làm nguội cũng như chi phíđầu tư ban đầu cho hệ thống trao đổi nhiệt qua đó lựa chọn những giá trị thích hợpbằng 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 xâydựng 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 xâydựng 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 theocông thức: H = CP│Tđầu - Tcuối │
Với:
CP: là nhiệt dung riêng lưu lượng, CP = mCp (m: lưu lượng khốilượng, kg/s; Cp: nhiệt dung riêng lưu chất, KJ/kg oC ), [CP] : [KW/oC]
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 côngnghệ nóng trong quá trình
+ Đường tổ hợp nguội (cold composite curve): Tổng của các dòng côngnghệ nguội trong quá trình
- Xây dựng đường tổ hợp: Đường tổ hợp được xây dựng dựa trên phương trìnhcân bằng vật chất và năng lượng Giản đồ đường tổ hợp nóng và nguội trên đồ thị T –
H có dạng như sau:
Trang 13Hình 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 trọngcho phép tối ưu hệ thống trao đổi nhiệt
Trang 141.1.3 Khái niệm DTmin và Pinch Point
1.1.3.1 DTmin (Dtmin hay min)
- 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
Hệ số trao đổi nhiệt thấp,hai đường tổ hợp gần songsong nhau, có sự đóng cặn
trong HEN
4 Các quá trình ở nhiệt độ thấp 3 – 5
Chi phí cho tác nhân làmnguội rất đắt tiền,DTmin càng nhỏ nếunhiệt độ của tác nhânlàm 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:
Trang 15Chi 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 đượchết những giá trị tối ưu của HEN Tuy nhiên để đưa những phân tích ở trên vào quátrình thiết kế HEN, chúng ta phải xác định được điểm Pinch và tuân theo một sốnguyên 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
1 Cấp nhiệt bằng hơi nước 10 – 20 0C Hệ số trao đổi nhiệt lớn
3 Cấp nhiệt bằng khói lò 40 0C Hệ số cấp nhiệt của khóilò thấp
4 Sản xuất hơi nước bằng khói lò 25 – 40 0C Hệ số trao đổi nhiệt phía hơi nước lớn
5 Gia nhiệt không khí bằng khói lò 50 0C Lượng nhiệt cung cấp phụthuộc vào điểm sương của
khói lò (Ăn mòn)
6 Làm nguội bằng nước sạch 15 – 20 0C 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 làchênh 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 dướiPinch (Source)
Trang 16 từ phần sink nên cũng cần thêm tác nhân làm nguội để lấy đi lượng nhiệt dophần
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 và lấy bớt ở phần Sink một lượngnhiệt bằng như vậy cũng đồng nghĩa ta phải thêm tác nhân nóng để cấp nhiệtcho 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 Sinkcần bổ sung thêm và lượng nhiệt mà phần Source nhận được là
Nếu xét về mặt kinh tế thì các quá trình này xảy ra làm giảm đi tính kinh tếcủa quá trình, nếu xét về mặt năng lượng thì chúng ta đang lãng phí, chưa tận dụng hếtnguồn năng lượng của hệ thống
Để đạt được mục tiêu kinh tế và năng lượng, Pinch đưa ra một số nguyên tắccần 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 Pinchvà
làm tăng chi phí sử dụng năng lượng
Trang 17COND: Thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp
REB: Thiết bị đun sôi đáy tháp
H: Thiết bị gia nhiệt
Trang 18Để khai tác số liệu phục vụ cho kỹ thuật Pinch, sơ đồ 1.6 có thể được được mô tả lạimột 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 gianhiệt, 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
m (kg/h) (kj/kg.CpoC) CP = m x Cp(KW/0C) Ghi chú
Trong đó: m: Lưu lượng khối lượng (kg/h)
Cp: nhiệt dung riêng Kj/Kg 0CChọn DTmin = 10 0C
Trang 19Dựa 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 0C đến 80
0C chỉ có dòng 2 được biểu diễn CPnóng = CP2 = 40, khoảng nhiệt độ từ 80 0C đến 130
0C cả 2 dòng được biểu diễn và CP∑nóng = CP1 + CP2 = 20 + 40 = 60, khoảng nhiệt độ
từ 130 0C đến 180 0C chỉ có dòng 1 được biểu diễn CPnóng = CP1 = 20
Bảng 1.4: Dữ liệu nhiệt của dòng
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)
H
0 5000 10000 15000 20000
Trang 20Hot Composite Curve
Cold Composite Cur
DTmin = 10
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
Bản g 1 5 : Dữ liệu nhiệt của dòng nguội
3 80
4 60
40 20 0
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
Trang 211.2.2 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 lưulượng, nhiệt độ, độ nhớt, hệ số dẫn nhiệt, khối lượng riêng, nhiệt dung riêng lànhững thông tin cần thiết để sử dụng kỹ thuật Pinch Dữ liệu hoàn toàn có thể lấy ra từphương 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 hưởngtrực tiếp lên hiệu quả của hệ thống trao đổi nhiệt sẽ thiết kế nên bất kỳ một thông tinnào 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 đồcông nghệ để ứng dụng kỹ thuật Pinch Những nguyên tắc bao gồm: Không tách cácdòng có cùng tính chất nhiệt và hóa học trên sơ đồ công nghệ, không tổ hợp cácdòng 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 tínhchính 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:
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:
Trang 22+ Khai thác dữ liệu dựa theo các dòng công nghệ nóng và nguội tại cácthiết bị trao đổi nhiệt: Theo hướng này ta xẽ xây dựng được mô hình hệ thống trao đổinhiệt (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 kếlại 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 khôngtính đến việc cải thiện thu hồi năng lượng
+ Phương pháp xấp xỉ: Bằng kinh nghiệm và những hiểu biết cặn kẽ tínhchất của các dòng công nghệ, chúng ta hoàn toàn có thể gộp các dòng có cùng tínhchất 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 hiểnđầy đủ tính chất của cả ba dòng, bên cạnh đó ba dòng nóng cũng được gộp lại thànhmột dòng duy nhất với đầy đủ những thông tin của cả ba dòng
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
Trang 23Hình 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 cácnhiệt độ khác nhau là khá phổ biến Nhưng chính điều này gây ra những khó khăn chongười 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 T1
và T2 (giả sử T2 > T1) được gộp lại thành một dòng duy nhất có nhiệt độ T thì có mộtquá trình tất yếu xảy ra là có sự truyền nhiệt từ dòng có nhiệt độ lớn hơn (T2) sangdòng có nhiệt độ nhỏ hơn (T1) Như vậy chúng ta hoàn toàn có thể xem như là có mộtthiết bị trao đổi nhiệt giả định giữa 2 dòng đó [1], quá trình này được mô tả trên hình1.15
Giả sử ta chọn điểm Pinch của dòng nóng là 100 oC và điểm Pinch của dòngnguội là 90 oC, DTmin = 10 oC Xét trên hình 1.15b, dòng 2 cần phải cấp nhiệt chodòng 1 để dòng 1 đạt được điểm Pinch tại 90 oC và sau đó cấp thêm một lượng nhiệtnữa để nâng nhiệt độ của dòng 1 lên 112 oC như hình 1.15a, như vậy đã có một lượngnhiệt truyền từ phía Sink qua phía Source (Cross – Pinch) điều này vi phạm nguyêntắc Pinch, kết quả là làm tăng lượng nhiệt cần sử dụng cho cả quá trình
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 cầnphải tổ hợp các dòng này ở cùng nhiệt độ như hình 1.15c dưới đây:
Trang 24Hình 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 trìnhthiết kế HEN nhưng nó có thể làm thay đổi sơ đồ công nghệ hiện có Vì vậy năng suấtnhiệt của các thiết bị trao đổi nhiệt sẽ không còn phù hợp với dữ liệu của các dòngnữa
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 “hiệuquả” của các dòng mới là giá trị quan trọng chứ không phải là nhiệt độ thực của cácdòng [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 oC
và được làm nguội đến 500 oC lượng nhiệt mà nó mất đi được dùng để sản xuất hơinước từ nước sạch có nhiệt độ 200 oC như hình 1.16
Tuy nhiên, dòng sản phẩm phản ứng có nhiệt độ 1000 oC của phản ứng cracking đượclàm nguội nhanh do các sản phẩm của phản ứng lấy bớt nhiệt của phản ứng làm chonhiệt độ có hiệu quả của nó không còn là 1000 oC và 500 oC nữa, nhiệt độ của nó lúcnày được tính từ lượng nhiệt cung cấp để sản sinh hơi nước theo yêu cầu Do vậy,nếu
Trang 25Hình 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 quátrình thực tế, đặc biệt là trong các quá trình có sự hóa hơi và ngưng tụ của các dòngcông nghệ
Biến thiên H 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 dòngcông 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 chotừng đoạn để xây dựng đường cong đun nóng và làm nguội giả định Chúng ta cũngcần 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):
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 mộtelthalpy thì nhiệt độ của dòng thực lại lớn hơn dòng giả (định đối với dòng nóng) và
Trang 26nhỏ hơn (đối với dòng nguội) 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 Enthalpy là tuyến tính
1.2.2.5 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 thaybằng một dòng phụ trợ khác cho mục đích trao đổi nhiệt Và vì vậy chúng ta khôngđược phép mô tả nó lên đường tổ hợp của quá trình
Ví dụ chúng ta sử dụng không khí để làm nguội, ngưng tụ một dòng công nghệ,khi đó chúng ta hoàn toàn có thể thay thế không khí trong thiết bị đó bằng một tácnhân khác như là nước hay là một tác nhân làm nguội khác Trong trường hợp này,không khí là một dòng phụ trợ là một tác nhân thuần túy và không được mô tả lênđường tổ hợp của quá trình
Nhưng khi dòng phụ trợ tham gia vào quá trình như là một dòng công nghệ vàkhông thể thay thế bằng một tác nhân khác thì phải mô tả nó lên trên sơ đồ côngnghệ Ví dụ với phản ứng Shift:
CO + H 2 O CO 2 + H 2
Hơi nước dùng cho phản ứng này được tạo ra từ nước sạch và tham gia vào phản ứngnày như là một phần không thể thay thế bằng một tác nhân nào khác, nên nó phải đượcbiểu diễn lên đường tổ hợp của quá trình như là một phần của đường tổ hợp nguội
1.2.2.6 Nhận dạng dữ liệu “mềm” khi trích
xuất
Điều kiện nhiệt độ, áp suất và Enthalpy của một số dòng công nghệ trong quátrình 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 đảmbảo không có sự hoá hơi nguyên liệu tại cửa vào của bơm; hay nhiệt độ của dòng sảnphẩm vào kho cũng có thể thay đổi trong một giới hạn nhất định Đối với dữ liệumềm, chúng ta cần trích xuất sao cho tổng năng lượng cung cấp cho quá trình là nhỏnhất
1.3 Sử dụng nhiều tác nhân cho quá trình đun nóng và làm nguội
1.3.1 Biểu diễn trên giản đồ đường tổ hợp (composite curve)
Giả sử nếu ta chỉ sử dụng một loại hơi cao áp (HPS) cho quá trình đun nóng ởphần Sink khi mà nhiệt độ của đường tổ hợp nguội còn thấp thì sẽ rất tốn kém vì chiphí cho quá trình sản xuất hơi cao áp đắt hơn rất nhiều so với chi phí cho quá trình sảnxuất hơi áp suất trung bình (MP) hay hơi thấp áp (LPS) Như vậy, để đảm bảo tínhkinh tế cho quá trình thiết kế, cần giảm thiểu tối đa các nguồn phụ trợ đắt tiền và thayvào đó bằng các nguồn rẻ tiền hơn Chúng ta mong muốn sử dụng hơi áp thấp và trungbình cho quá trình đun nóng cũng như sử dụng nước và không khí cho quá trình làmnguội để giảm chi phí
Biểu diễn quá trình sử dụng nhiều loại hơi trên giản đồ T – H như hình 1.18Với các quá trình cần có tác nhân nung nóng có nhiệt độ cao hơn hoặc cần làmnguội xuống dưới nhiệt độ môi trường khi đó ta không chỉ sử dụng một loại tác nhân
Trang 27nhiều tác nhân như vậy lên cùng với đường tổ hợp (composite curve) sẽ làm cho đồ thịhết sức rườm rà khó quan sát.
Hình 1.18: Sử dụng nhiều tác nhân đun nóng
Để biểu diễn nhiều tác nhân đun nóng hay làm lạnh cho quá trình lên cùng mộtgiản đồ, chúng ta sử dụng giản đồ Grand (GCC)
1.3.2 Biểu diễn trên giản đồ đường tổ hợp Grand (Grand Composite Curve)
- Mục đích: Đường tổ hợp Grand giúp dễ dàng quan sát khi sử dụng nhiều tác
nhân nung nóng và làm nguội 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 làmnguội [1]
- Thiết lập đường tổ hợp Grand: Bắt đầu với đường tổ hợp, giảm đường tổ hợp
nóng 1/2DTmin và tăng đường tổ hợp nguội lên 1/2DTmin Lấy điểm Pinch làmchuẩn và xây đựng đường tổ hợp Grand theo nguyên tắc: quay đường tổ hợp nóngquanh điểm pinch đến trùng trục tung (T), lấy điểm Pinch làm chuẩn và vẽ đường
tổ hợp Grand đi qua các điểm có Hi = aiconst như hình 1.19:
a
Hình1.19: Giản đồ đường dịch chuyển (Shifted Composite Curve)
Để dễ quan sát, ta phóng to hình 1.19 (phần bên phải) như hình 1.20 dưới đây
Trang 28Khi đặt vào đường Grand thì nhiệt độ của dòng nóng sẽ giảm đi 1/2Dtmin vànhiệt độ của dòng nguội tăng 1/2 Dtmin Nhiệt độ của tác nhân nóng cũng giảm đi1/2Dtmin và tác nhân làm nguội cũng tăng lên 1/2Dtmin.
ToC
Process Pinch
HKW
Hình 1.20: Đường tổ hợp Grand (Grand Composite Curve)
- Biểu diễn nhiều tác nhân đun nóng và làm nguội lên giản đồ Grand:
Giả sử ban đầu ta dùng hơi cao áp (HPS) để đun nóng và nước để làm nguội(CW), hai tác nhân phụ trợ này được biểu diễn lên giản đồ Grand như hình 1.21 bêndưới:
Hình 1.21: Lượng nước làm mát và hơi cần cung cấp
Hơi nước cao áp HPS là một nguồn phụ trợ đắt tiền vì chi phí sản xuất và chiphí vận hành cao, bên cạnh đó nước làm mát là một tác nhân làm mát rẻ tiền nhưngcũng cần phải xử lý để có những tính năng cần thiết nhằm tránh ăn mòn thiết bị nêncũng tốn kém chi phí Để giảm chi phí cho quá trình, giảm lượng hơi nước cao áp HPS
và nước làm nguội CW sử dụng và thay vào đó là lượng hơi thấp áp LPS và không khíAir rẻ tiền hơn Giản đồ Grand giúp chúng ta thực hiện điều này một cách dễ dàngbằng cách nhận ra nhiệt độ thích hợp sử dụng tác nhân và biểu diễn tác nhân phụ trợtại nhiệt độ đó bằng một đường nằm ngang (hình 1.22)
Trang 29Trên đồ thị hình 1.22, chúng ta nhận thấy rằng việc sử dụng tối đa hơi nướcthấp áp LPS để gia nhiệt và không khí để làm nguội có thể cho phép làm giảm tối
đa sử dụng lượng hơi nước cao áp HPS và nước làm mát CW nên cho phép giảm chiphí của cả quá trình
Process Pinch
LPS
Air
Utility Pinch
Hình 1.22: Giản đồ Grand và điểm Pinch
Trên giản đồ Grand, điểm mà tại đó lượng hơi thấp áp LPS tối đa đạt được vàlượng không khí Air tối đa đạt được gọi là “Utility Pinch” Nếu chúng ta xê dịch rakhỏi điểm utility Pinch sẽ làm tăng chi phí ở một bên nào đó của Process Pinch hoặc
cả hai bên của Process Pinch vì điều này làm giảm sử dụng những tác nhân rẻ tiền vàtăng sử dụng tác nhân đắt tiền, ngược lại nếu vi phạm Process Pinch sẽ dẫn đến sự giatăng chi phí của cả quá trình
1.4 Cân bằng giữa chi phí năng lượng và đầu tư ban đầu
Thiết kế mới hệ thống trao đổi nhiệt luôn phải cân bằng giữa chi phí năng lượng
và chi phí đầu tư ban đầu Mối quan hệ này phụ thuộc vào việc chọn giá trị DTmin.Nếu DTmin nhỏ thì chi phí năng lượng thấp, lượng nhiệt thu hồi lớn nhưng chi phíđầu tư ban đầu lớn do đòi hỏi bề mặt trao đổi nhiệt lớn Nếu Dtmin lớn, chi phí nănglượng tăng do lượng nhiệt thu hồi thấp nhưng chi phí đầu tư ban đầu nhỏ
Thiết kế cải tiến một hệ thống có sẵn luôn có những khó khăn nhất định do bềmặt trao đổi nhiệt đã được thiết lập sẵn do vậy việc cân bằng giữa chi phí đầu tư vànăng lượng là rất khó khăn
1.4.1 Quá trình thiết kế mới HEN
Với một quá trình thiết kế mới, ứng dụng kỹ thuật phân tích của Pinch có thểgiảm thiểu chi phí sử dụng năng lượng cho quá trình bằng cách chọn giá trị DTminthích hợp cho quá trình đó Giá trị DTmin thấp cho phép giảm tiêu thụ năng lượng choquá trình Tuy nhiên, quá trình thiết kế mới lại gặp hai vấn đề trái ngược nhau, tiêu thụnăng lượng và bề mặt truyền nhiệt lắp đặt biến thiên theo hai hướng ngược nhaukhi thay đổi giá trị DTmin Vì vậy tối ưu hệ thống trao đổi nhiệt là một công việctương đối khó khăn, để làm việc này cần phải cân băng giữa chi phí năng lượng vàchi phí đầu tư ban đầu sao cho chi phí tổng là nhỏ nhất, giá trị tại đó đạt được chi phítổng nhỏ nhất gọi là giá trị DTmin tối ưu như trình bày ở hình 1.4
Trang 30i i
1.4.1.1 Xác định bề mặt truyền nhiệt
Ứng với mỗi giá trị DTmin, bằng giản đồ đường tổ hợp của các dòng côngnghệ, hoàn toàn có thể xác định được lượng nhiệt tiêu thụ và bề mặt truyền nhiệtcủa hệ thống
Khi giá trị DTmin tối ưu được chọn, dựa vào đường tổ hợp của các dòng côngnghệ hoàn toàn có thể xác định được diện tích bề mặt truyền nhiệt tối ưu
Bề mặt truyền nhiệt của hệ thống được tính theo công thức (hình 1.23):
1 H i
A∑ = A1 + A2 + A3 + A4 + A5 + A6 = T K (1.1)
Trong đó: A1 ÷ A6 : Bề mặt truyền nhiệt của các đoạn
A∑ : Bề mặt truyền nhiệt tổng
Ti : Chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit của từng đoạn
Hi : Lượng nhiệt trao đổi ở từng thiết bị
Ki : Hệ số truyền nhiệt của từng thiết bị
Bằng cách vẽ những đường thẳng đứng nối các điểm trên đường tổ hợp nóngvới các điểm tương ứng trên đường tổ hợp nguội có thể chia hệ thống thành từng đoạn
và tính toán bề mặt truyền nhiệt theo công thức (1.1) ở trên
Hình 1.23: Bề mặt truyền nhiệt của hệ thống
1.4.1.2 Xác định số lượng thiết bị trao đổi nhiệt tối thiểu cho HEN
Số lượng thiết bị trao đổi nhiệt tối thiểu phụ thuộc vào số lượng các dòng nóng
và nguội tham gia vào quá trình trao đổi nhiệt, nó có thể được xác định bằng công thứcsau:
Nu,min = Nts – 1 (1.2)
Trang 31Trong đó: Nu,min : Số lượng thiết bị trao đổi nhiệt tối thiểu
Nts : Số lượng các dòng nóng, nguội và các dòng phụ trợ tham gia vàoquá trình trao đổi nhiệt
Chú ý: Phương trình (1.2) chỉ dùng khi:
Năng lượng cung cấp cho quá trình là nhỏ nhất.
Không có sự truyền nhiệt qua Pinch (Pinch Across).
Áp dụng cho từng phía của Pinch
1.4.1.3 Xác định chi phí của HEN
Chi phí của HEN bao gồm: Chi phí vận hành và chi phí đầu tư ban đầu Chi phí
đầu tư HEN phụ thuộc vào diện tích bề mặt trao đổi nhiệt tính toán được và loại thiết
bị trao đổi nhiệt lựa chọn Chi phí vận hành phụ thuộc vào loại tác nhân phụ trợ
sử dụng Sau đây chúng ta sẽ lần lượt tính toán chi phí đầu tư và chi phí vận hành
Chi phí đầu tư của một thiết bị trao đổi nhiệt được tính theo công thức sau
[4]:
CC = a + b.Ac (1.3a)Trong đó: CC : Chi phí đầu tư ban đầu ($) (Capital Cost)
a : Hệ số chi phí lắp đặt thiết bị trao đổi nhiệt ($)
b,cA
: Các hệ số
: Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt (m2)
Chi phí của lò đốt được tính theo công thức:
CC = a + b.(QEx)c (1.3b)Tùy thuộc vào giá cả vật liệu tại thời điểm tính toán mà các hệ số a, b, c có giá
trị khác nhau Theo giá thị trường năm 2006, các hệ số a, b, c được cho dưới đây [4]:
CCNet = a.Nu,min + b
S min S min (1.4a)Trong đó: CCNet : Chi phí đầu tư cho hệ thống
Nu,min : Số lượng thiết bị trao đổi nhiệt ứng với MER
Smin : Số lượng Shell nhỏ nhất ứng với MER
A1-2 : Bề mặt trao đổi nhiệt ứng với toàn bộ thiết bị dạng
Trang 32 Chi phí vận hành được tính theo công thức sau:
OC = UChu.Qhu,min + UCcu.Qcu,min (1.5)Trong đó OC : Chi phí vận hành ($/năm) (Operation Cost)
UChu : Chi phí của tác nhân đun nóng ($/KW.năm) (Utility
Cost)
UCcu : Chi phí của tác nhân làm nguội nguội ($/KW.năm)
Qhu,min và Qcu,min : Năng lượng tối thiểu cấp cho quá trình đun
nóng và lấy đi ở quá trình làm nguội(KW/năm)
Chi phí hằng năm được tính theo công thức:
TAC = CC + OC ($/năm) (1.6)Trong đó: TAC : Chi phí hằng năm ($/năm) (Total Annualized Cost)
với ROR : tốc độ hoàn vốn (% CA/năm) (Rate Of Return)
PL : Thời gian tồn tại của HEN (năm) (Plant Life)DTmin quyết định tổng chi phí hằng năm do vậy việc tìm ra giá trị DTmin tối ưu là một việc cần làm trước khi thiết kế
Giản đồ thực nghiệm, giữa DTmin, chi phí năng lượng và chi phí đầu tư banđầu
DTmin
Hình 1.24: Chi phí cho HEN
1.4.2 Thiết kế cải tiến HEN
Trang 33Kỹ thuật Pinch được ứng dụng nhiều để thiết kế cải tiến hệ thống trao đổi nhiệt(HEN) Thiết kế cải tiến thường chỉ xem xét lại cân bằng giữa chi phí đầu tư và chi phínăng lượng với số lượng thiết bị và bề mặt truyền nhiệt có sẵn bằng đồ thị.
Đường cong thiết kế mới (new design curve) chia đồ thị thành 2 phần: Phầnphía trên ứng với vùng kém hiệu quả kinh tế, vùng phía dưới (khu vực có gạchchéo) là vùng có hiệu quả cao (không thõa mãn với mô hình tồn tại) Mô hình tồntại luôn luôn nằm trên đường cong thiết kế mới
Để đạt mục tiêu tiết kiệm năng lượng hơn mô hình đang có, cần phải dịchchuyển mô hình này về gần với đường cong thiết kế mới nghĩa là phải lắp đặt thêmthiết bị trao đổi nhiệt để tăng diện tích bề mặt của hệ thống trao đổi nhiệt (HEN) sẵncó
Mô hình không kinh tế
Mô hình kinh
Thiết kế mới
Khu vực không thõa mãn
Năng lượng
Hình 1.25: Cân bằng năng lượng và diện tích cho thiết kế lại
Thực chất của thiết kế cải tiến là xây dựng lại đường cong thiết kế mới cho hệthống đang có và so sánh HEN hiện có với HEN thiết kế mới, tìm ra vị trí hiện tại vàtiến hành dịch chuyển mô hình hiện tại về gần với đường cong thiết kế mới nhất có thểđược
Hai thông số quan trọng của thiết kế cải tiến là “hệ số bề mặt hiệu quả” và
Eex : Năng lượng tiêu thụ của HEN sẵn có
At : Diện tích bề mặt cho quá trình thiết kế mới ứng với năng lượng tiêu thụ Eex
Trang 34Eret : Năng lượng tiêu thụ của HEN mới
A1 : Diện tích bề mặt cho quá trình thiết kế mới ứng với năng lượng tiêu thụ Eret
Hệ số bề mặt hiệu quả mô tả một cách chính xác vị trí của mô hình sẵn có sovới mô hình thiết kế mới về mặt tiêu thụ năng lượng và diện tích lắp đặt Hệ số bề mặthiệu quả luôn luôn nhỏ hơn 1 mô hình hiện có luôn nằm trên đường cong thiết
kế mới càng tiến gần đến 1 (> 0.85) thì mô hình HEN hiện có càng có kínhkinh tế và việc cải tiến sẽ càng có hiệu quả hơn
1.4.2.2 Thiết kế cải tiến dựa trên DTmin
Giá trị DTmin có ảnh hưởng lớn đến việc tiết kiệm năng lượng và chi phí đầu tưcủa HEN, Phân tích mối quan hệ giữa Dtmin và chi phí năng lượng cho phép đưa ramột cái nhìn đơn giản cho quá trình thiết kế lại hệ thống trao đổi nhiệt Mối quan tâmkhi xây dựng đường cong trên giản đồ “Dtmin – Chi phí năng lượng” là độ dốc củađường cong đó:
Độ dốc càng nhỏ thì việc thay đổi Dtmin không mang lại nhiều hiệu quả,
hiệu quả sử dụng của HEN sau cải tiến là không cao
Độ dốc càng lớn thì hiệu quả cải tiến càng đạt hiệu quả cao, năng lượng
tiết kiệm được lớn hơn nếu sử dụng mô hình HEN mới
Giả sử xây dựng được đường cong “DTmin – Chi phí năng lượng” như sau:Khảo sát đường cong “DTmin – Chi phí năng lượng” được chỉ ra trên hình 1.27: Khi giảm dần DTmin ta nhận thấy rằng:
Trong khoảng nhiệt độ từ 30 – 20 0C, Dtmin thay đổi sẽ làm giảm chi phínăng lượng rất nhanh nghĩa là độ dốc của dường cong lớn Khoảng này gọi là “đoạnnhạy cảm” Khi giảm DTmin nằm trong đoạn này, chi phí đầu tư tăng lên nhưng tiếtkiệm năng lượng được nhiều nhất Thiết kế cải tiến cần phải tìm ra được đoạn này
Trang 350 8 2 0 3 0 3
6 4 0 DT min 0C
Hình 1.27: Thiết kế cải tiến dựa trên sự thay đổi DTmin
Trong khoảng nhiệt độ từ 20 – 8 0C, Dtmin thay đổi nhiều nhưng chi phínăng lượng giảm rất ít, độ dốc của đường cong nhỏ Khoảng này gọi là “đoạn ít nhạycảm” Khi giảm DTmin về đoạn này, năng lượng tiết kiệm được không nhiều mà chiphí đầu tư lại tăng lên nên khi thiết kế cải tiến cần tránh đoạn này
Trên đồ thị hình 1.27, HEN hiện tại có DTmin = 36 0C, mục tiêu cải tiến đạtđược ứng với DTmin ≈ 20 0C
1.4.2.3 Thiết kế cải tiến dựa trên giá trị DTmin thực nghiệm
Sau những nghiên cứu trên mô hình thực tế, Linnhoff March đã đưa ra một sốgiá trị DTmin cho các quá trình trong thực tế Các số liệu DTmin ứng với từng mục cụthể hoàn toàn có thể dùng được như là một sự lựa chọn gợi ý cho quá trình thiết kế cảitiến Sở dĩ có thể dùng được các giá trị DTmin kinh nghiệm là vì thông thường các quátrình có chung mục đích thì có hình dạng đường tổ hợp nóng và nguội tương tựnhau Ví dụ như quá trình gia nhiệt dầu thô, hai đường tổ hợp nóng và nguội cókhuynh hướng song song nhau do lưu lượng nguyên liệu và sản phẩm của quá trìnhchưng cất bằng nhau
Hình dạng đường tổ hợp nóng và nguội ảnh hưởng lớn đến lượng nhiệt thu hồiđược từ các dòng công nghệ nóng Và vì vậy nó cũng quy định chênh lệch nhiệt nhiệt
độ tối thiểu DTmin và chi phí đầu tư ban đầu (hình 1.28)
Trường hợp A: Nếu DTmin nhỏ thì lượng nhiệt thu hồi lớn, giảm chi phínăng lượng cho quá trình đun nóng và làm nguội
Trường hợp B: Nếu DTmin nhỏ, chi phí đầu tư thiết bị khá lớn vì chênhlệch nhiệt độ giữa 2 đường tổ hợp không lớn
Trang 36Hình 1.28: Ảnh hưởng của hình dạng đường tổ hợp lên giá trị DTmin tối ưu
Một số giá trị DTmin thực nghiệm trong lĩnh vực lọc dầu được Linhoff March đề nghịtrong bảng 1.7 dưới đây
Bảng 1 7 : Một số giá trị DTmin sử dụng cho thiết kế cải tiến trong nhà máy lọc dầu[1]
1 Chưng cất khí quyển 30 – 40 o C Đường tổ hợp nóng và nguội thường
song song nhau
2 Chưng cất chân không 20 – 30 o C Hệ số trao đổi nhiệt thấp
3 Xử lý Naphta/Reformer 30 – 40 o C Tổn thất áp suất nhỏ, hiệu quả trao
(DTmin = 30).
6 Xử lý cặn bằng H 2 40 o C Tốn kém vì hoạt động ở áp suất cao
7 Sản xuất H 2 20 – 30 o C Lò Reformer yêu cầu DTmin = 30 –
50 0C, phần còn lại 10 – 20 0C
1.4.2.4 Thời gian hoàn vốn
Xây dựng đường cong thể hiện quan hệ giữa “Lợi nhuận” từ việc thu hồi nhiệtlượng và “Chi phí đầu tư bổ sung” từ đường cong chi phí năng lượng và diện tích bềmặt như trên hình 1.29
Các đường thẳng thời gian hoàn vốn được vẽ lên trên đồ thị, dựa vào thời gianhoàn vốn và giới hạn đầu tư có thể xác định lượng năng lượng tiết kiệm được, từ giá trịnăng lượng tiết kiệm được có thể tính được giá trị DTmin cho hệ thống Với giá trịDTmin mới, tính toán lại lượng nhiệt truyền qua Pinch và các thiết bị truyền nhiệt quaPinch
Trang 37Hình 1.29: Thời gian hoàn vốn cho thiết kế cải tiến
1.5 Ứng dụng kỹ thuật Pinch cho những thay đổi công nghệ
Đường tổ hợp (Composite Curve) được xây dựng nhờ phương trình cân bằngvật chất và năng lượng cho phép xác định năng lượng tối thiểu cần cung cấp cho quátrình Như vậy bằng cách thay đổi phương trình cân bằng vật chất và năng lượng (tức
là thay đổi hình dáng đường tổ hợp) có thể làm giảm hoặc tăng tiêu tốn năng lượng
Năng lượng tiêu thụ của một phân xưởng thường bị ảnh hưởng, tác động qua lạilẫn nhau của nhiều thông số vận hành nên rất khó có thể biểu diễn mối quan hệ giữachúng bằng các phương trình toán học thuần tuý Vì vậy, chúng ta rất khó có thể dựđoán được chi phí năng lượng cho quá trình sẽ thay đổi như thế nào khi thay đổi cácthông số vận hành Ví dụ như một quá trình chưng cất khí quyển dầu thô, có nhiềuthông số ảnh hưởng như áp suất làm việc, nhiệt độ và thành phần hơi của nguyên liệu,lưu lượng dòng Pumparound, tỉ số hồi lưu R… Việc điều chỉnh thông số nào để làmgiảm tiêu hao năng lượng là một điều không dễ dàng
Nguyên tắc “tăng - giảm” (+/-) của Pinch cho phép chúng ta thực hiện việc lựa
chọn các thông số vận hành cần thay đổi một cách dễ dàng và khoa học trong cácquá trình thiết kế cải tiến các hệ thông thu hồi nhiệt sẵn có
1.5.1 Nguyên tắc “tăng – giảm”
Như đã biết, cân bằng vật chất thay đổi kéo theo sự thay đổi hình dạng đường tổhợp, do vậy:
Giảm lượng tiêu dùng tác nhân đun nóng nếu:
Tăng năng suất nhiệt của dòng nóng ơ phía Sink
Giảm năng suất nhiệt của dòng nguội ở phía Sink
Giảm lượng tiêu dùng tác nhân làm nguội nếu:
Giảm Năng suất nhiệt của dòng nóng ở phía Source
Tăng năng suất nhiệt của dòng nguội ở phía Source
Trang 38o
Sự thay đổi dễ nhìn thấy nhất và thể hiện trực tiếp ảnh hưởng lên năng suấtnhiệt mà không làm thay đổi cân bằng vật chất của hệ thống là sự thay đổi nhiệt độcủa các dòng Tuy nhiên chúng ta chỉ có thể làm giảm lượng nhiệt tiêu thụ khi mà sựthay đổi này kéo theo sự truyền nhiệt qua Pinch (cross Pinch) hay nói cách khác là
có sự dịch chuyển một lượng nhiệt ở phía trên Pinch sang phần dưới Pinch như hình1.30
Trên hình 1.30, chúng ta thay đổi (giảm) áp suất nạp liệu thì phần năng lượnggiành cho hóa hơi nguyên liệu sẽ chuyển từ phần Sink sang phần Source và kếtquả thấy rõ trên hình 1.30 là lượng tác nhân nóng và nguội đều giảm
T C
P in c h
+ -
+
Hình 1.31: Giảm lượng phụ trợ dùng bằng cách thay đổi áp suất nạp liệu
Như vậy, sự dịch chuyển nhiệt độ của các dòng công nghệ được thể hiện như
- Dịch chuyển dòng nóng từ phía dưới Pinch lên phía trên Pinch
- Dịch chuyển dòng nguội từ phía trên Pinch xuống phía dưới Pinch
Trang 39Sự thay đổi năng suất nhiệt và một số tính chất của các dòng công nghệ thườngđược áp dụng cho tháp chưng cất vì sự tiêu hao năng lượng của nó tương đối lơn sovơi các quá trình khác, bên cạnh đó các thông số của tháp có thể thay đổi trong phạm
vi nhất định mà vẫn đảm bảo chất lượng sản phẩm thu hồi
1.5.2 Thay đổi các thông số công nghệ của tháp chưng cất
Tháp chưng cất là một thiết bị tiêu tốn nhiều năng lượng trong công nghệ hóahọc, chúng ta sẽ chỉ ra một số phương pháp có thể dùng để thay đổi các thông số ởtháp chưng cất nhằm tiết kiệm năng lượng và sự tích hợp của chúng so với công nghệcủa quá trình hiện có
Trong một tháp chưng cất, các dòng nóng có thể tận dụng nhiệt và các dòngnguội cần được gia nhiệt bao gồm [2]:
Bản g 1 8 : Các dòng nóng và nguội của tháp chưng cất
Dòng nóng Dòng nguội
Trước tiên, chúng ta sẽ khảo sát sự phân tích những thay đổi độc lập đối vớitháp chưng cất bằng kỹ thuật Pinch và sau đó sẽ xem xét tính khả thi của những sựthay đổi đó
1.5.3 Áp dụng kỹ thuật Pinch phân tích tháp chưng cất
1.5.3.3 Đường tổ hợp Grand của tháp chưng cất (CGCC)
Một tháp chưng cất có nhiều thông số vận hành mà khi chúng ta thay đổi có thể
sẽ tiết kiệm năng lượng cho quá trình hoạt động của tháp Những thông số có thể thayđổi bao gồm: Tỉ số hồi lưu, điều kiện nạp liệu, năng suất nhiệt của thiết bị ngưng tụhơi đỉnh tháp, năng suất nhiệt của thiết bị đun sôi đáy tháp,… Kỹ thuật Pinch giúpchúng ta nhận ra những thông số nào cần thay đổi sẽ làm tăng hiệu quả sử dụng nănglượng cho tháp và khoảng thay đổi cho phép của chúng
Kỹ thuật Pinch sử dụng đường tổ hợp Grand cho tháp chưng cất (CGCC)(Column Grand composite curve) như trên hình 1.2 làm cơ sở để phân tích Đườngcong CGCC cung cấp cho chúng ta một profile nhiệt của tháp chưng cất và nhờ nó
mà ta có thể nhận ra những thay đổi phù hợp cho tháp Đường CGCC cũng giốngnhư đường Grand thông thường, điểm Pinch của nó trùng với đĩa nạp liệu của tháp,khoảng cách giữa điểm Pinch và trục tung tương ứng với ty số hồi lưu của tháp, phíatrên điểm Pinch ứng với đoạn luyện của tháp, đường nằm ngang phía trên cùng biểudiễn lượng nhiệt cần cấp thêm cho Reboiler; phía dưới Pinch tương ứng với đoạnchưng của tháp, đường nằm ngang dưới cùng ứng với lượng tác nhân làm nguội cầnthiết cung cấp cho quá trình
Một tháp chưng cất thông thường được cấp nhiệt ở Reboiller và lấy nhiệt ở phía
Trang 40nguội Giản đồ hình 1.32 cung cấp cho chúng ta một công cụ để giảm lượng nhiệt cầncung cấp cho reboiler hay lấy đi ở condenser bằng cách thực hiện những thay đổi ởSide Condenser và Side Reboiler:
Side Reboiler: Bố trí các thiết bị đun nóng cấp thêm năng lượng cho thápdọc theo thang nhiệt độ của tháp (dọc theo chiều cao của tháp)
Side Condenser: Bố trí các Pumparound dọc tháp để làm nguội
Hình 1.32: Giản đồ Grand cho tháp chưng cất
Giản đồ CGCC có thể vẽ trên đồ thị “T – H” hoặc đồ thị “Số đĩa – H”, ứngdụng CGCC vào việc phân tích profile nhiệt của tháp giúp chúng ta có cái nhìn trựcquan với những thay đổi của tháp
1.5.3.1 Sử dụng giản đồ CGCC cho việc phân tích kỹ thuật Pinch
Để bắt đầu cho việc xây dựng và phân tích giản đồ CGCC chúng ta cần tiếnhành tối ưu đĩa nạp liệu trước rồi sau đó mới thực hiện những thay đổi Những thayđổi nhằm làm giảm tiêu thụ năng lượng của tháp chưng cất bao gồm:
Thay đổi tỉ số hồi lưu: Ảnh hưởng của tỉ số hơi lưu đến sự tiêu thụ nănglượng của tháp chưng cất được thể hiện qua hình 1.33 dưới đây Tỉ số hồi lưu là mộtthông số quan trọng liên quan đến khả năng tách của tháp và các điều kiện liên quanđến chế độ chảy trong tháp (làm thay đổi lưu lượng lỏng hơi đi trong tháp)
Dựa theo hình 1.33, chúng ta nhận thấy nếu tăng tỉ lệ hồi lưu thì điểm Pinch sẽ tiến ra
xa trục tung (T) đồng nghĩa với việc tăng tiêu hao năng lượng cho reboiler vàcondenser và ngược lại, nếu giảm tỉ số hồi lưu thì điểm Pinch sẽ dịch lại gần trụctung sẽ giảm tiêu hao năng lượng cho tháp Trong quá trình phân tích nhiệt chotháp chưng cất (có đĩa nạp liệu tối ưu) bằng kỹ thuật Pinch thì tỉ số hồi lưu đượcquan tâm đầu tiên trước khi nghĩ đến việc thay đổi những thông số khác
Việc cải thiện chỉ số hồi lưu với một tháp chưng cất sẵn có có thể thực hiện bằng cáchtăng số đĩa hoặc thay đổi hiệu suất của đĩa
Thay đổi điều kiện nạp liệu của nguyên liệu: Tiền gia nhiệt nguyên liệutrước khi vào tháp sẽ làm giảm được năng suất nhiệt của thiết bị đun sôi đáy tháp,bằng cách này chúng ta đã chuyển lượng nhiệt dùng cho đun sôi đáy tháp sang để gianhiệt cho nguyên liệu