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

MỤC LỤC

LỜI NỚI ĐẦU 8

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT PINCH 10

1.1 Khái niệm và nguyên tắc của kỷ thuật Pinch 10

1.1.1 Khái niệm Pinch 10

1.1.2 Xây dựng đường tổ hợp cho các dòng nóng, nguội 10

1.1.3 Khái niệm DTmin và Pinch Point 12

1.1.3.1 DTmin (Dtmin hay 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

151.2.1 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

241.3.1 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

271.4.1 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”

421.6.1 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

471.7.1 Một số khái niệm cơ bản 47

1.7.2 Thiết kế hệ thống trao đổi nhiệt (HEN) 48

1.7.2.1 Sơ đồ nguyên lý của quá trình thiết kế HEN 48

1.7.2.2 Sơ đồ lưới 49

1.7.3 Thiết kế HEN bằng phương pháp Pinch 49

1.7.3.1 Nguyên tắc của phương pháp Pinch 49

1.7.3.2 Thiết kế phần Sink (phía trên Pinch) 50

1.7.3.3 Thiết kế phần Source 51

1.7.3.4 Bậc tự do của HEN 52

1.7.3.5 Thiết kế HEN với mục tiêu chi phí vận hành nhỏ nhất 52

1.7.4.1 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 XƯỞNGCDU – NHÀ MÁY LỌC DẦU DÙNG QUẤT 60

2.1 Một số mục tiêu cần đạt được khi phân tích phân xưởng CDU 60

2.1.1 Hàm mục tiêu 60

2.1.2 Tối ưu năng suất nhiệt của lò đốt 60

2.1.3 Bề mặt trao đổi nhiệt tối ưu 60

2.1.4 Số lượng thiết bị trao đổi nhiệt tối ưu 61

2.1.5 Chi phí tối ưu 61

2.2 Các bước tiến hành để ứng dụng kỹ thuật Pinch 61

2.2.1 Trích xuất dữ liệu từ sơ đồ PFD và P&ID 62

2.2.2 Mô phỏng phân xưởng CDU bằng phần mềm Hysys 62

2.2.3 Phân tích quá trình thu hồi nhiệt bằng kỹ thuật Pinch 63

2.2.4 Xác lập chế độ vận hành cho HEN 64

2.3 Kết quả mô phỏng và phân tích Pinch 65

2.4 So sánh quá trình mô phỏng và phân tích tối ưu 72

2.5 Kết quả tính toán HEN và các dòng công nghệ ở chế độ vận hành 73

KẾT LUẬN 75

TÀI LIỆU THAM KHẢO 78

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Một số giá trị DTmin thực nghiệm theo Linnhoff March

12Bảng 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

17Bảng 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]

34Bảng 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]

40Bảng 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]

69Bảng 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

70Bảng 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

74Bảng 2.12: Số liệu tính toán HX khi mô phỏng vận hành 75

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Đường tổ hợp nóng và nguội 11

Hình 1.2: Bề mặt trao đổi nhiệt và lượng nhiệt cung cấp cho quá trình

11Hình 1.3: Quan hệ giữa DTmin và chi phí đầu tư ban đầu 13

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

19Hình 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

21Hình 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

22Hình 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)

25Hình 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

31Hình 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

36Hình 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

42Hình 1.34d: Mô hình kết hợp thực giữa tháp chưng và background process

42Hình 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

45Hình 1.36b: Tích hợp tuabin khí vào quá trình công nghệ

45Hình 1.37: Đặt bơm nhiệt vào trong quá trình công nghệ để phân tích bằng kỹ thuật Pinch

46Hình 1.38: Ứng dụng giản đồ Grand để phân tích bơm nhiệt bằng kỹ thuật Pinch

47Hình 1.39: Các bước tiến hành thiết kế hệ thống trao đổi nhiệt bằng phương pháp Pinch

48

trợ 50

Hình 1.42: Giản đồ T – H cho trường hợp thiết kế phần Sink (tiếp giáp với Pinch)

51Hình 1.43: Giản đồ T – H cho trường hợp thiết kế phần Source 51

Hình 1.44a: Thiết kế phần Sink 53

Hình 1.44b: Thiết kế phần Source 54

Hình 1.45: HEN và vòng nhiệt 54

Hình 1.46: Chia dòng phục vụ cho thiết kế HEN theo phương pháp Pinch 54

Hình 1.47: Sơ đồ phân tích các dòng trao đổi nhiệt 55

Hình 1.48: Lựa chọn phương pháp sử dụng thiết kế cải tiến 57

Hình 1.49: Các bước tiến hành hiệu chỉnh Cross Pinch 58

Hình 2.1: Các bước tiến hành để phân tích Pinch 62

Hình 2.2: Trích xuất dữ liệu từ PFD 62

Hình 2.3: Quá trình mô phỏng phân xưởng CDU phục vụ cho kỹ thuật Pinch 63

Hình 2.4 : Các bước tiến hành phân tích Pinch 64

Hình 2.5 : Đường tổ hợp của các dòng nóng và nguội ứng với DTmin = 13oC 66

Hình 2.6 : Đường tổ hợp Grand của quá trình ứng với DTmin = 13oC 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=6.5oC 70

Hình 2.11 : Đường tổ hợp Grand của quá trình ứng với DTmin = 6.5oC 70

MỘT SỐ KÍ HIỆU DÙNG TRONG ĐỒ ÁN

Kí h iệu G iải th ích Đơ n v ị

COND Thiết bị ngưng tụ đỉnhtháp

REB Thiết bị đun sôi đáytháp

H Thiết bị gia nhiệtC Thiết bị làm lạnhR1, R2 Thiết bị phản ứngC1 Tháp chưng cấtDTmin (Dtmin,min) Chênh lệch nhiệt độ nhỏ nhất giữa đường tổ hợp nóng và nguộioC

HXHEN

Thiết bị trao đổi nhiệtHệ thống thiết bị trao đổi nhiệt (Heat Exchanger Network)

CCChi phí đầu tư ban đầu của một HX (Capital Cost)$CCNetChi phí đầu tư cho hệ thống $

TACChi phí tổng của HEN (Total Annualized Cost)$/s

(Exchanger Minimum Approach Temperature)

 Hệ số chi phí hằng năm (Annualization Factor)1/năm

RORTốc độ hoàn vốn (Rate Of Return)% CCNet /nămPLThời gian hoạt động của dự án (Plant Life)

CGCCĐường tổ hợp Grand của tháp chưng cất

(Column Grand Composite Curve)HPSHơi nước bão hoà cao áp

LPSHơi nước bão hoà thấp ápCW

CpCP = mCp

Nước làm mátNhiệt dung riêng khối lượng Kj/kg oC Nhiệtdung riêng lưu lượng Kj/h oC

Nu,minSố lượng thiết bị trao đổi nhiệt tối thiểuNmvSố lượng thiết bị trao đổi nhiệt hiện có trên sơ đồ lướiNt sSố lượng các dòng công nghệ và phụ trợ

QH (h), Qh,uLượng nhiệt cấp thêm vào quá trìnhKWQC (c), Qc,uLượng nhiệt do tác nhân lạnh lấy điKWUc,uChi phí của tác nhân lạnh $/s

Tđầu (tđầu), Tcuối (tcuối ) Nloop

NDoFGCC

Nhiệt độ đầu và cuối của các dòng nóng(lạnh) Số lượng vòng nhiệt kín

Bậc tự do của HEN (Degree Of Freedom)Đường tổ hợp Grand (Grand Composite Curve)

oC

AtDiện tích bề mặt cho quá trình thiết kế mới ứng với năng lượng tiêu thụ Eexm2

A1Diện tích bề mặt cho quá trình thiết kế mới ứng với năng lượng tiêu thụ Eretm2 Hệ số bề mặt hiệu quả

 Độ dốc đường cong thiết kế cải tiến

QlossHP

Nhiệt mất mátBơm nhiệt

KW

Uh , Uc , U Hệ số trao đổi nhiệt tổng Kcal/h.m2CTi Nhiệt độ đầu của các dòng oC

Ts Nhiệt độ cuối của các dòng oCTs-d Nhiệt độ cuối mong muốn đạt được của các dòng oCTs-c Nhiệt độ cuối tính toán được ở chế độ vận hành oCH

A1-1

Biến thiên EnthalpyDiện tích bề mặt trao đổi nhiệt theo kiểu ngược chiều

KWm2A1-2Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt dạng tube-shellm2

DTh,mi n = (Tđầu - tcuối )Chênh lệch nhiệt độ của dòng nóng vào và dòng nguội raoCDTc,mi n = (Tcuối – tđầu)Chênh lệch nhiệt độ của dòng nóng ra và dòng nguội vàooCXmpGiá trị tính toán được từ quá trình mô phỏng

Xt uGiá tính toán được bằng phân tích tối ưu

QEx – TH

QEx – VHLượng nhiệt trao đổi tại mỗi thiết bị khi thiết kếLượng nhiệt trao đổi tại mỗi thiết bị khi vận hànhKWKW

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

m2

VH Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt vận hành

m2

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 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 Tấtcả 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 nhiệtđể 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 tiệnđể 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 tốiưu hoá hệ thống thu hồi nhiệt của phân xưởng chưng cất tại nhà máy lọc dầu DungQuất”, trên cơ sở kiến thức cơ bản của kỹ thuật Pinch, ứng dụng phần mềm Aspen

HX– Net, Excel tôi đã hoàn thành đồ án này Đồ án bao gồm 2 phần chính:

 Giới thiệu về lý thuyết Pinch technology. Ứng dụng kỹ thuật Pinch và phần mềm Aspen Hysys để mô phỏng

phana xưởng CDU, phần mềm Aspen HX – Net để tính toán lượng 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

Trong quá trình làm, do nhiều nguyên nhân khác nhau nên những thiếu sótlà điều khó tránh khỏi Rất mong sự đóng góp ý kiến của thầy cô giáo và các bạn đểđề tài được hoàn thiện hơn.

Đà nẵng, ngày 06, tháng 5 năm 2009

Sinh viên thực hiệnNguyễn Thanh Sang

1.1 Khái niệm và nguyên tắc của kỷ thuật Pinch1.1.1 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 theo

công 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:

Hình 1.2: Bề mặt trao đổi nhiệt và lượng nhiệt cung cấp cho quá trình

Việc xây dựng và phân tích các đường tổ hợp cho phép chúng ta xác định được:

 Lượng nhiệt cần cung cấp thêm hay lấy bớt khỏi quá trình QHmin: Lượng nhiệt cần bổ sung thêm vào (quá trình đun nóng) QCmin: Lượng nhiệt cần lấy bớt khỏi quá trình (quá trình làm nguội). Bề mặt truyền nhiệt và số lượng thiết bị trao đổi nhiệt

 Giá trị DTmin của hệ thống, đây là một trong những giá trị quan trọngcho phép tối ưu hệ thống trao đổi nhiệt

1.1.3 Khái niệm DTmin và Pinch Point1.1.3.1 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 LinnhoffMarch [1], sau đó tính toán kiểm tra và so sánh tìm ra giá trị phù hợp Ứng với mỗi giátrị DTmin ta có diện tích bề mặt truyền nhiệt tổng tương ứng của hệ thống, chiphí tổng cho hệ thống, bao gồm cả chi phí năng lượng và chi phí đầu tư thiết bị Giá trịDTmin 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 nhân

làm nguội thấp.Tùy thuộc vào HEN, lượng nhiệt thu hồi, phương thức gia nhiệt, phương thức làmnguội, việc sản xuất các dòng phụ trợ… mà các giá trị DTmin có thể khác nhaunhư được trình bày trong bảng 1.2

 Sau khi xác định DTmin cho hệ thống ta tiến hành dịch chuyểnđường tổ hợp nguội theo phương song song với trục hoành đến khi thõa mãnđiều kiện DTmin thì dừng lại Từ giản đồ này có thể xác định được bề mặt truyềnnhiệt tổng, nhiệt lượng cấp vào từ tác nhân đun nóng và lấy đi khỏi quá trình của tácnhân 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 dựngđồ thị phụ thuộc giữa các thông số trên cho để tìm được giá trị DTmin tối ưu Đồ thịquan hệ thực nghiệm giữa các đại lượng trên có dạng như sau:

Chi phí tổng

Chi phí năng lượngChi phí đầu tư ban đầuDTmin 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)

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

CrossPinch).

 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

COND: Thiết bị ngưng tụ đỉnh thápREB: Thiết bị đun sôi đáy thápH: Thiết bị gia nhiệt

C: Thiết bị làm lạnhR1, R2: Thiết bị phản ứngC1: Tháp chưng cất

100 0C R1

130 0C

REB

HX C30 0C

120 0C40 0C

Hình 1.6: Sơ đồ công nghệ

Để 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 vídụ 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

Trong đó: m: Lưu lượng khối lượng (kg/h)

Cp: nhiệt dung riêng Kj/Kg 0CChọn DTmin = 10 0C

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 độtừ 130 0C đến 180 0C chỉ có dòng 1 được biểu diễn CPnóng = CP1 = 20

Bảng 1.4: Dữ liệu nhiệt của dòng

nóng

0C

Tcuối0C

CP = m x Cp(KW/0C)

12

0 5000 10000 15000

H

1008040200

0 5000 10000 15000 20000

T

Hình 1.8: Dòng nóng 1 và 2

200180160140120

Đường tổ hợp nóng

(CP2)

100806040200

(CP1)

H

0 5000 10000 15000 20000

Hot Composite Curve

Cold Composite Cur

DTmin = 10

 Xây dựng đường tổ hợp nguội cho hai dòng nguội 3 và 4: Tiến hành tươngtự, khoảng nhiệt độ 30 đến 60 chỉ có dòng 4 được biểu diễn CPnguội = 36, khoảng nhiệtđộ 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

Đường tổ hợp lạnh

140120100

3 80

4 60

40200

T o CGiản đồ đường tổ hợp

ve100

806040200

1.2.2 Nguyên tắc khai thác dữ liệu từ sơ đồ công nghệ

Tất cả những dữ liệu của các dòng công nghệ nóng, nguội và các dòng phụ trợ,các thông tin về chi phí của các dòng phụ trợ phải được khai thác đầy đủ và chính xác.Dữ liệu của các dòng công nghệ và phụ trợ bao gồm những thông tin về 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:

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

+ : Năng lượng, KW

Máy nén

o100 oC 200 Co

200 Co

o6000

Sản phẩm50 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:

+ 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 tinvề 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 chúngta 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

o250 C

o250 C

H = 1000

H = 1000

o200 C

o200 C

o250 C

o250 C

o200 C

o200 Co

H = 6000o

H = 1000

o100 CH = 4000

Hình 1.13: Khai thác dữ liệu từ sơ đồ gốc và thiết kế HENChú thích:

 Các dòng màu đỏ là dòng công nghệ nóng (cần được làm nguội) Các dòng màu xanh là dòng công nghệ nguội (dòng cần được đun

o và để tìm ra một giá trị rất quan trọng là DTmin, bằng cách xây dựng mối quan hệ giữaDTmin và chi phí đầu tư cũng như chi phí vận hành như trên hình 1.4.

Hình 1.14: Phương pháp khai thác dữ liệu áp dụng cho kỹ thuật Pinch

1.2.2.2 Không tổ hợp các dòng có nhiệt độ khác nhau

Trên sơ đồ công nghệ, các dòng công nghệ được phân ra và tổ hợp lại ở 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

o

10020 o 2 223o 223 112 o 20

o 1 o(a)112o 56 o 20o

20 56

(b) 90 o

Hình 1.15: Thiết bị trao đổi nhiệt giả định

Để tránh Cross Pinch khi tổ hợp hai hay nhiều dòng công nghệ chúng ta cầnphải tổ hợp các dòng này ở cùng nhiệt độ như hình 1.15c dưới đây:

Hình 1.15d: Mô hình đúng khi tổ hợp các dòng công nghệ trong kỹ thuật Pinch

Nguyên tắc này cho phép chúng ta tiết kiệm được năng lượng trong quá 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 oCvà 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

Hình 1.16: Nhiệt độ có hiệu quả

1.2.2.4 Đảm bảo tính chính xác của dữ liệu khi trích xuất

Chúng ta biết rằng biến thiên H thường là không tuyến tính trong các 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 yếutố rất quan trọng và tuân theo quy tắc sau (hình 1.17):

Te x tr ac ted ho t c om po site cu rv ea c tu a l h ot co m p os ite c ur ve

e xtra c ted co ld c om po site c u rv e

ac tua l co ld c om po site c u rv e

H K W

Hình 1.17: Đường tổ hợp trích xuất và đường tổ hợp thực

 Đường tổ hợp nóng thực (actual hot composite curve) phải nằm trên

đường tổ hợp nóng trích xuất (extracted hot composite curve)

 Đường tổ hợp nguội thực (actual cold composite curve) phải nằm dưới

đường tổ hợp trích xuất (extracted cold composite curve)Nhìn từ đồ thị, chúng ta nhận thấy rằng nếu ở cùng một nhiệt độ thì lượng nhiệtmà 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

nhỏ 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 hằngsố 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 thuầntúy

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 + H2O  CO2 + H2

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 tríchxuất

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 làdữ 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 nguội1.3.1 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

nhiều 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 giúpđỡ 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 đườngtổ hợp Grand đi qua các điểm có Hi = aiconst như hình 1.19:

a  

ProcessPinch

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

Khi 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

ProcessPinch

T O

C

HPS

ProcessPinch

CW H KW

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 HPSvà 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)

Trên 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 tốiđa sử dụng lượng hơi nước cao áp HPS và nước làm mát CW nên cho phép giảm chiphí của cả quá trình.

ProcessPinch

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 hoặccả 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 lượngvà 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

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 bịKi : 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 đoạnvà tính toán bề mặt truyền nhiệt theo công thức (1.1) ở trên

T oC

Process Pinch

A3A6

A2

DTminA5 A

4

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 nóngvà nguội tham gia vào quá trình trao đổi nhiệt, nó có thể được xác định bằng công thứcsau:

Nu,min = Nts – 1 (1.2)

Trong 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 phíđầu tư HEN phụ thuộc vào diện tích bề mặt trao đổi nhiệt tính toán được và loại thiếtbị trao đổi nhiệt lựa chọn Chi phí vận hành phụ thuộc vào loại tác nhân phụ trợsử 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,c

A

: 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 giátrị 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 MERSmin : Số lượng Shell nhỏ nhất ứng với MER.A1-2 : Bề mặt trao đổi nhiệt ứng với toàn bộ thiết bị dạng Shell-

 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)

 : Hệ số chi phí hằng nămOC : Chi phí vận hành ($/năm)

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

Kỹ 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 khôngkinh tếMô hình kinh

Thiết kế mớiKhu 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“DTmin”

nhiệtA 2A e

xA

A t

A2 : Diện tích bề mặt mớiEret : Năng lượng tiêu thụ của HEN mớiA1 : 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 thiếtkế 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

Diện tíchbề mặt truyền

Hệ sốkhông

cóĐườngcong thiết

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

Chi phínăng

mới

Mô hìnhhiện tại



0 8 2 0 3 0 3

6 4 0 DTmin 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 nhiệtđộ 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

T 0C QHmin

QHminT 0C

Hình 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]

1Chưng cất khí quyển30 – 40 o C Đường tổ hợp nóng và nguội thường

song song nhau2Chưng cất chân không20 – 30 o CHệ số trao đổi nhiệt thấp3Xử lý Naphta/Reformer 30 – 40 o C Tổn thất áp suất nhỏ, hiệu quả trao

(DTmin = 30).6Xử lý cặn bằng H240 o CTốn kém vì hoạt động ở áp suất cao7Sản xuất H220 – 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

Hình 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 (tứclà 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

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 làcó 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

Sự 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 phạmvi 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 nóngDòng 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 cất1.5.3.3 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 thểsẽ 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 nómà 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

nguội 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 raxa 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