Mô phỏng động hệ thống sản xuất dung môi từ condensate - Hysys Dynamic Simulation

Đây là luận văn về đề tài mô phỏng động cho hệ thống chưng cất, sử dụng phần mềm mô phỏng Aspen Hysys với các nội dung gồm: thiết kế tĩnh, lựa chọn phương án và sách lược điều khiển tối ưu, thiết lập các thông số PID và kiểm tra độ bền của hệ,...

Trang 1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

BỘ MÔN KỸ THUẬT CHẾ BIẾN DẦU KHÍ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

M Ô PHỎNG ĐỘNG HỆ THỐNG SẢN XUẤT DUNG

MÔI TỪ CONDENSATE

GVHD: ThS Trần Hải Ưng SVTH: Nguyễn Xuân Trung MSSV: 1414309

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, 2018

Trang 2

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

BỘ MÔN KỸ THUẬT CHẾ BIẾN DẦU KHÍ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

M Ô PHỎNG ĐỘNG HỆ THỐNG SẢN XUẤT DUNG

MÔI TỪ CONDENSATE

GVHD: ThS Trần Hải Ưng SVTH: Nguyễn Xuân Trung MSSV: 1414309

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, 2018

Trang 3

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Trong công nghiệp lọc hóa dầu, mô phỏng tĩnh và mô phỏng động chiếm một vai trò vô cùng quan trọng trong việc đánh giá và tối ưu các biến chính của quá trình công nghệ Mô phỏng cho phép nghiên cứu biểu hiện tạm thời của các quá trình phức tạp

mà không cần thông tin vận hành thực sự hoặc thậm chí không có một nhà máy thí điểm Trong luận văn này, quá trình mô phỏng động được ứng dụng vào cụm chưng cất condensate trong “Dự án về dung môi công nghiệp” của JSC Sunpet ở tỉnh Hậu Giang, Việt Nam Luận văn này mô tả thực tiễn nhất cho mô hình động của cụm tháp chưng cất condensate, bắt đầu từ các số liệu nguyên liệu condensate thông qua phần mềm Aspen HYSYS V8.8 Nội dung công việc bao gồm mô tả đặc tính của condensate nguyên liệu, phát triển mô hình tĩnh, thiết kế kích thước thiết bị, chuyển đổi mô hình từ trạng thái tĩnh sang trạng thái động, thiết kế sách lược điều khiển, lựa chọn thông số điều chỉnh bộ điều khiển PID và vận hành ở trạng thái động Tất cả các bước được tiến hành cẩn thận nhằm làm hệ bền và đảm bảo đạt chất lượng sản phẩm theo yêu cầu

Trang 4

DYNAMIC SIMULATION FOR THE SOLVENT PRODUCTION

SYSTEM FROM CONDENSATE

ABSTRACT

Steady state and Dynamic simulations play a vital role in most of the Refineries and Petrochemical industries to evaluate and optimize key process variables Simulation allows studying the transient behaviour of complex processes without real plant operating information or even a pilot plant In this study, the dynamic simulation

is applied to Sunpet JSC’s “INDUSTRIAL SOLVENT PROJECT” in Hau Giang province, Vietnam This thesis provides the most practical descriptions for condensate distillation plant dynamic modelling, starting from the given crude assay using Aspen HYSYS V8.8 It includes condensate assay characterization, developing steady state model, sizing equipment, tranferring from steady state model to dynamic model, designing a control strategy, choosing PID tuning parameters and running the dynamic model All steps are taken carefully to achieve system stability and ensure the product’s quality as required

Trang 5

LỜI CẢM ƠN

Thời gian trôi qua mau, giây phút viết lời cảm ơn này khiến lòng em cảm thấy thật bồi hồi và xúc động Mới một ngày mùa thu năm nào, khi cơn mưa bất chợt kéo đến giống như tình yêu bất ngờ đối với ngôi trường này nảy nở vốn chưa bao giờ có thể hình dung được, em vẫn đang bước những bước đầu tiên trong khuôn viên trường

để ngắm nhìn cảnh vật và làm thủ tục nhập học Vậy mà giờ đây, 4 năm học tập và rèn luyện tại Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh đã trôi qua, với biết bao kỉ niệm đong đầy Sự chỉ bảo, và tình cảm to lớn của quý thầy cô, anh chị đi trước và bạn bè trong bộ môn Kỹ thuật Chế biến Dầu khí – Khoa Kỹ thuật Hóa học đã là động lực to lớn để em hoàn thành tốt quá trình học tập, phấn đấu thành người kỹ sư có kiến thức, trung thực và sáng tạo

Đặc biệt, trong quãng thời gian em thực hiện luận văn tốt nghiệp, với đề tài “ Mô phỏng động cho hệ thống sản xuất dung môi từ condensate”, ngoài sự cố gắng và nghiêm túc của bản thân, em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Trần Hải Ưng – người đã dành nhiều thời gian quý báu để truyền đạt kiến thức, hướng dẫn và giúp đỡ

em hoàn thành thật tốt đề tài của mình

Đồng thời, em cũng xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Kim Trung – GVCN lớp HC14DK, đã hỗ trợ và có những lời khuyên cực kỳ bổ ích dành cho em

Cuối cùng, con xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến bố mẹ và mọi người trong gia đình đã động viên, giúp đỡ chúng con cả về vật chất lẫn tinh thần để con có được kết quả ngày hôm nay

Trong quá trình thực hiện luận văn, mặc dù em đã cố gắng hết sức, nhưng do kiến thức còn nhiều hạn chế và thời gian để nghiên cứu chuyên sâu còn ít nên em đã không tránh khỏi một số sai sót Vì vậy, em rất mong nhận được sự góp ý, phê bình của quý thầy cô và các bạn

TP Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2018

Nguyễn Xuân Trung

Trang 6

MỤC LỤC

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC BẢNG vii

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ viii

1 GIỚI THIỆU 1

1.1 Lý do chọn đề tài 1

1.2 Mục tiêu 2

1.3 Phạm vi và giới hạn của đề tài 2

2 TỒNG QUAN 4

2.1 Tổng quan về condensate và dung môi pha sơn công nghiệp 4

2.2 Tổng quan về phần mềm mô phỏng Aspen Hysys 5

2.3 Nguồn nguyên liệu 6

2.3.1 Tính chất của nguồn nguyên liệu 6

2.3.2 Khả năng cung ứng 6

2.4 Sản phẩm 7

2.4.1 Các tiêu chuẩn cơ bản của sản phẩm 7

2.4.2 Cơ cấu sản phẩm cần đạt 7

2.5 Quy trình công nghệ cụm chưng cất 8

3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 9

3.1 Thành phần cơ bản của hệ thống 9

3.2 Điều khiển phản hồi 10

3.3 Điều khiển truyền thẳng 10

3.4 Điều khiển tầng 11

3.5 Quy trình xây dựng mô hình động 12

4 THIẾT KẾ HỆ THỐNG QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 13

Trang 7

4.1 Thiết kế quá trình và tính toán cân bằng vật chất năng lượng 13

4.2 Tính toán và thiết kế thiết bị 16

4.2.1 Tính toán thiết kế thiết bị chính 16

4.2.2 Tính toán thiết kế thiết bị phụ 26

4.3 Tính toán hệ thống phụ trợ 35

4.3.1 Hệ thống bơm 35

4.3.2 Hệ thống van 37

5 TIẾN HÀNH MÔ PHỎNG ĐỘNG CHO HỆ THỐNG 43

5.1 Các mô hình điều khiển tháp và bàn luận 43

5.2 Chuyển từ mô phỏng tĩnh sang mô phỏng động 46

5.2.1 Độ bền của hệ 46

5.2.2 Bộ điều khiển PID 47

5.2.3 Lựa chọn Action “Reverse/Direct” 48

5.2.4 Lựa chọn thông số điều khiển (Controller Tuning Parameter) 48

5.2.5 Đảm bảo specs động học cho các thiết bị vận hành 49

6 THÔNG SỐ ĐIỀU KHIỂN VÀ KẾT QUẢ THU ĐƯỢC 53

6.1 Bộ thông số điều khiển 53

6.2 Switch to Dynamic (Chuyển qua môi trường động) 55

6.3 Kết quả thu được 56

7 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 66

7.1 Kết luận 66

7.2 Kiến nghị 66

TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

Trang 8

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

PID Proportional Integral Derivative Bộ điều khiển vi tích phân

tỉ lệ

nhiệt độ LIC Level Indicating Control Điều khiển và hiển thị mức

chất lỏng FIC Flow Indicating Control Điều khiển và hiển thị lưu

lượng

Trang 9

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1: Một số tính chất của nguyên liệu 6

Bảng 2.2: Tiêu chuẩn BMSol Petro 7

Bảng 2.3:Tiêu chuẩn BMSol A3040 7

Bảng 2.4: Tiêu chuẩn BMSol F2046 7

Bảng 4.1: Một số thông số trên tab Performance mâm 1-9 18

Bảng 4.2: Một số thông số trên tab Performance mâm 11-21 20

Bảng 4.3: Pitch và đường kính ngoài của tube 27

Bảng 4.4: Thông số của các thiết bị trao đổi nhiệt 28

Bảng 5.1: Dynamic Specs của các thiết bị trao đổi nhiệt 52

Bảng 5.2: Dynamic Specs của heater và cooler 52

Trang 10

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Sơ đồ chung 3

Hình 2.1: Đồ thị phân bố của condensate nguyên liệu 6

Hình 2.2: Sơ đồ công nghệ cụm chưng cất 8

Hình 3.1: Cấu trúc cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình 9

Hình 3.2: Sơ đồ khối của một hệ thống điều khiển quá trình 9

Hình 3.3: 9 bước cơ bản để xây dựng một mô hình động 12

Hình 4.1: Package type 13

Hình 4.2: Parent Environment 14

Hình 4.3: Column Environment 14

Hình 4.4: Cân bằng năng lượng 15

Hình 4.5: Cân bằng vật chất 15

Hình 4.6: Profiles trạng thái tĩnh của tháp T-101 16

Hình 4.7: Bồn ngưng tụ V-101 20

Hình 4.8: Worksheet của V-101 20

Hình 4.9: Kích thước V-101 21

Hình 4.10: Reboiler F-101 21

Hình 4.11: Worksheet F-101 22

Hình 4.12: Kích thước của nồi đun F-101 22

Hình 4.13: Worksheet tháp T-102 23

Hình 4.14: Profile áp suất tháp T-102 23

Hình 4.15: Rating Tab của tháp T-102 25

Hình 4.16: Worksheet của E-106 25

Hình 4.17: Kích thước nồi đun E-106 26

Hình 4.18: TEMA – Type 28

Hình 4.19: Exchanger Design and Rating 30

Hình 4.20: E-102 Parameter 30

Hình 4.21: Dòng năng lượng Q-E102 30

Hình 4.22: Sơ đồ E-107 31

Hình 4.23: E-107 Parameter 31

Trang 11

Hình 4.25: E-105 Worksheet 32

Hình 4.33: Bơm P-101 35

Hình 4.34: Bơm P-100 35

Hình 4.35: Bơm P-105 36

Hình 4.36: Bơm P-102 36

Hình 4.37: Bơm P-104 36

Hình 4.38: Bơm P-103 37

Hình 4.39: Thông số van VLV-101 38

Hình 5.1: Mô hình 1 (a) 44

Hình 5.2: Mô hình 1 (b) 44

Hình 5.3: Mô hình 2 45

Hình 5.4: Mô hình 3 46

Hình 5.5: Dynamic Specifications của bơm P-101 50

Trang 12

Hình 6.1: Equation Summary 56

Hình 6.2: Thông số đạt được ở trạng thái tĩnh 56

Hình 6.3: Thông số của hệ ở 20.4 phút 57

Hình 6.7: Thông số của hệ ở 187 phút 59

Hình 6.8: Đồ thị đáp ứng phản hồi của LIC-102 60

Hình 6.11: Đồ thị đáp ứng phản hồi của PIC-100 61

Hình 6.14: Đồ thị đáp ứng phản hồi của TIC-100 63

Trang 13

Mô phỏng động một quá trình là một việc quan trọng trong thiết kế, vận hành, khắc phục sự cố Mặc dù có nhiều trường hợp chỉ cần mô phỏng ở trạng thái tĩnh là đủ, tuy nhiên độ chính xác có thể được cải thiện đáng kể bằng việc tính đến ảnh hưởng phản hồi khi có sự biến động các yếu tố diễn ra Thêm vào đó, thực sự cần thiết có một thiết kế tối ưu và sách lược điều khiển tốt trong nhiều hoàn cảnh, bao gồm:

✓ Khởi động và ngưng hoạt động

✓ Sự xáo trộn trong cụm và áp suất an toàn

✓ Nghiên cứu, khảo sát

✓ Tối ưu hóa quá trình

Ở trạng thái tĩnh, người dùng được cung cấp tất cả thông tin về cân bằng vật chất

và năng lượng, sự đánh giá đối với các mô hình khác nhau Qua đó, tối ưu quá trình bằng việc giảm công suất và chi phí thiết bị trong khi cải thiện được chất lượng sản phẩm

Với mô phỏng động, chúng ta có thể xác nhận rằng cụm thiết bị có sản xuất được sản phẩm mong muốn một cách dễ dàng và an toàn hay không, kiểm chứng được khả năng hoạt động trong các tình huống thực tế cụ thể

Trang 14

1.3 Phạm vi và giới hạn của đề tài

Hệ thống sản xuất bao gồm 2 cụm là Unit 100 (cụm chưng cất, công suất thiết kế

là 7 m3/h) và Unit 200 (cụm trích ly, công suất thiết kế là 1.4 m3/h)

Unit 100 phân tách nguyên liệu condensate thành các dung môi với ứng dụng khác nhau Dòng nhập liệu sau khi nâng nhiệt độ đến 140-160oC sẽ được đưa vào tháp chưng cất dung môi (T-101) và phân tách thành các sản phẩm sau: BMSol Petro (IBP-

155 oC), High aromatic BMSol A3040 (155-210 oC), BMSol F2046 (>210 oC) Các sản phẩm sau khi trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu sẽ được làm mát đến 45oC trước khi đưa đến bồn chứa

Unit 200 dùng để chiết xuất hợp chất thơm hàm lượng cao trong sản phẩm của cụm chưng cất là BMSol 3040, chủ yếu là các aromatic C9 và C10; sản xuất BMSol A100 và BMSol A3040 có hàm lượng aromatic thấp

Dòng BMSol A3040 từ cụm chưng cất trước hết được chia thành 2 dòng: dòng nhẹ (điểm chưng cất: 155-185oC) và dòng nặng hơn (điểm chưng cất: 185-210oC) Dòng nhẹ hơn đa phần chứa các aromatic C8, C9 và một phần C10, trong khi dòng nặng bao gồm aromatic C10+ và các hydrocarbon khác

Dòng nhẹ hơn sau đó được đưa vào tháp trích ly T-202 cùng với dung môi Sufolane Bên trong tháp T-202 được gọi là quá trình chưng cất-trích ly Các aromatic (C8, C9, C10) có ái lực cao hơn đối với Sulfolane sẽ đi xuống và thu được ở đáy T-202, trong khi các hợp chất hydrocarbon khác thu được ở đỉnh tháp T-202

Trang 15

GIỚI THIỆU

Hỗn hợp các aromatic với Sulfolane sau đó được đưa đến tháp T-203 Ở đây, Sulfolane được loại bỏ và các aromatic thu được ở đỉnh là BMSol A100 Dung môi sulfolane được tái sử dụng, đưa vào lại tháp T-202

Dòng nặng được đưa vào tháp T-201

Sản phẩm đỉnh của T-202 và sản phẩm đáy của T-201 được hòa trộn và tạo thành dung môi BMSol A3040 hàm lượng aromatic thấp

T-201

Hình 1.1: Sơ đồ chung

Trong phạm vi của đề tài, các tính toán, thiết kế công nghệ và quá trình mô phỏng chỉ dừng lại ở cụm chưng cất Unit 100 Ngoài ra không xét đến kích thước các ống dẫn (nozzles), vị trí đặt thiết bị (base elevation) và chỉ xét mất mát nhiệt dạng đơn giản cho tháp chính, không xét vấn đề này đối với các thiết bị khác như heater, cooler, thiết bị trao đổi nhiệt,…

Trang 16

TỔNG QUAN

2 TỒNG QUAN

2.1 Tổng quan về condensate và dung môi pha sơn công nghiệp

Condensate là hỗn hợp hydrocarbon lỏng được tách ra từ khí đồng hành hoặc khí

thiên nhiên trong quá trình khai thác, vận chuyển và xử lý khí Thành phần của

condensate chủ yếu là các hydrocarbon no, bao gồm pentane và các hydrocarbon nặng hơn (C5+) Tỷ trọng của condensate khoảng 562 đến 780 kg/m3 tại 15oC (50-120 oAPI) Tại Việt Nam, đơn vị sản xuất Condensate là Tổng công ty Khí Việt Nam Mỗi năm Tổng công ty sản xuất khoảng 250 nghìn tấn condensate từ nguồn khí Cửu Long và Nam Côn Sơn tại 02 nhà máy xử lý Khí Dinh Cố (GPP Dinh Cố) và Nam Côn Sơn (NCST), từ các nhà máy xử lý khí, condensate được vận chuyển bằng đường ống đến kho cảng Thị Vải và sau đó phân phối đến các khách hàng [1]

Condensate có thành phần tương tự phân đoạn nhẹ trong dầu thô và được dùng

để sản xuất ra các sản phẩm như xăng, dầu hỏa, diesel, fuel oil, nguyên liệu cho quá trình chế biến hóa dầu, sản xuất olefine, BTX… hoặc làm dung môi công nghiệp Thinners là dung môi pha sơn dạng công nghiệp được phối trộn từ nhiều loại dung môi hữu cơ khác nhau như toluene, xylene, butyl acetate, acetone, white spirit Dung môi pha sơn nhằm mục đích pha loãng, hoặc bổ sung thêm những đặc tính khác cho loại sơn như chống thấm, chống rêu, chống bám, hay muốn kiểm soát tốc độ khô của sơn Ngoài ra sản phẩm còn có tính tẩy rửa rất hiệu quả màng sơn khô bám trên thiết bị máy phun, dụng cụ sử dụng khi thi công Các loại dung môi pha sơn công nghiệp:

✓ Dung môi pha sơn Nitro Cenlulose (Nc Paint)

✓ Dung môi pha sơn Acrylic (Acrylic Paint)

✓ Dung môi pha sơn Alkyd, sơn dầu (Alkyd Synthetic Paint)

✓ Dung môi pha sơn Poly Urethane (Pu Paint)

✓ Dung môi pha sơn Epoxy (Epoxy Paint)

✓ Dung môi làm sạch, phá hủy sơn (Washing / Cleaning Paints and Coatings)

✓ Dung môi giúp sơn nhanh khô (Polish Paint Thinner)

Trang 17

TỔNG QUAN

2.2 Tổng quan về phần mềm mô phỏng Aspen Hysys

Hiện nay có rất nhiều phần mềm mô phỏng như Simsci (PRO//II), Hyprotech (HYSIM, HYSYS, HTFS, STX/ACX, BDK), Bryan research & engineering (PROSIM, TSWEET), Winsim (DESIGN II for Windows), IDEAS Simulation, Simulator 42, RSI, Chemstations,…

Trong đó, Hysys là sản phẩm của công ty Hyprotech - Canada thuộc công ty AEA Technology Engineering Software - Hyprotech Ltd Đây là phần mềm có khả năng tính toán đa dạng, cho kết quả có độ chính xác cao, đồng thời cung cấp nhiều thuật toán sử dụng, trợ giúp trong quá trình tính toán công nghệ, khảo sát các thông số trong quá trình thiết kế nhà máy Ngoài thư viện có sẵn, Hysys cho phép người dùng tạo các thư viện riêng rất thuận tiện cho việc sử dụng Ngoài ra Hysys còn có khả năng

tự động tính toán các thông số còn lại nếu thiết lập đủ thông tin Đây chính là điểm mạnh của Hysys giúp người sử dụng tránh những sai sót và đồng thời có thể sử dụng những dữ liệu ban đầu khác nhau

Hysys được thiết kế sử dụng cho hai trạng thái mô phỏng:

✓ Steady Mode: Trạng thái tĩnh, sử dụng thiết kế công nghệ cho một quá trình

✓ Dynamic Mode: Trạng thái động, mô phỏng thiết bị hay quy trình ở trạng thái đang vận hành liên tục, khảo sát sự thay đổi các đáp ứng của hệ thống

theo sự thay đổi của một vài thông số

Cấu trúc cơ bản của Hysys được thể hiện qua ba điểm quan trọng sau:

✓ Unique Concepts (Những khái niệm duy nhất): Mặc định cách mà người sử dụng xây dựng môi trường mô phỏng trên Hysys

✓ Powerful Engineering Tools (Những công cụ thiết kế tối ưu): Quyết định cách Hysys thực hiện các phép tính toán

✓ Primary Interface Elements (Những yếu tố tương giao cơ sở): Được dùng

để giúp người sử dụng làm việc với Hysys

Trong luận văn, quá trình mô phỏng sử dụng công cụ là phần mềm Aspen Hysys V8.8

Trang 18

TỔNG QUAN

2.3 Nguồn nguyên liệu

2.3.1 Tính chất của nguồn nguyên liệu

Một số tính chất như trong bảng dưới đây:

Bảng 2.1: Một số tính chất của nguyên liệu [2]

Trang 19

TỔNG QUAN

2.4 Sản phẩm

2.4.1 Các tiêu chuẩn cơ bản của sản phẩm

Sản phẩm của cụm chưng cất bao gồm: BMSol Petro, BMSol F2046 và BMSol A3040

Bảng 2.2: Tiêu chuẩn BMSol Petro [3]

Bảng 2.3: Tiêu chuẩn BMSol A3040 [3]

Bảng 2.4: Tiêu chuẩn BMSol F2046 [3]

- BMSol Petro: > 77% khối lượng

- BMSol A3040: > 8% khối lượng

- BMSol F2046: < 12% khối lượng

Trang 20

TỔNG QUAN

2.5 Quy trình công nghệ cụm chưng cất

Dòng nhập liệu (0 barg, 30°C) sẽ được bơm P-101 bơm qua các thiết bị trao đổi nhiệt E-101, E-102, E-103, E-104 để tận dụng nhiệt của các dòng sản phẩm đáy tháp T-101, dòng ra khỏi đỉnh tháp T-101, sản phẩm đáy tháp stripper T-102 và sản phẩm đỉnh T-101 trước khi qua gia nhiệt E-107 bổ sung nhiệt còn thiếu, đảm bảo cho nhập liệu vào tháp, dòng 101-7 ở khoảng 140-160 °C Dòng ra đỉnh tháp T-101 sau khi làm nóng nhập liệu ở E-102 thì đến E-105 để làm mát, hóa lỏng hoàn toàn (107.6°C) trước khi vào bình ngưng tụ V-101 (áp suất 3 barg ; ngưng tụ hoàn toàn) Tại đây, một phần sản phẩm sẽ được hoàn lưu về lại đỉnh tháp Sản phẩm đỉnh BMSol Petro được bơm P-

102 bơm đến E-101

Dòng trích ngang lấy ra từ mâm số 12 đi vào đỉnh tháp stripper T-102 Sản phẩm đỉnh của tháp T-102 được dẫn quay lại mâm số 10 tháp T-101

Các dòng sản phẩm A3040 và F2046 từ 2 reboiler là E-106 và F-101 cũng lần

lượt được các bơm P-103 và P-104 bơm đi với áp suất 3.862 barg đến E-103 và E-104 Sau cùng, sản phẩm được làm mát qua các cooler E-108, E-109, E-110 xuống

nhiệt độ tồn trữ ≤45°C

Hình 2.2: Sơ đồ công nghệ cụm chưng cất

Trang 21

Hình 3.1: Cấu trúc cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình

Hình 3.2: Sơ đồ khối của một hệ thống điều khiển quá trình

Trang 22

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

3.2 Điều khiển phản hồi [4]

Điều khiển phản hồi dựa trên nguyên tắc đo liên tục giá trị biến được điều khiển

và phản hồi thông tin về bộ điều khiển để tính toán lại giá trị của biến điều khiển Vì cấu trúc được khép kín nên điều khiển phản hồi còn được gọi là điều khiển vòng kín Trong hệ thống điều khiển quá trình, sách lược điều khiển phản hồi đóng vai trò quan trọng so với các sách lược điều khiển khác

✓ Ưu điểm: Điều khiển phản hồi là cách duy nhất để ổn định một quá trình không ổn định Một vai trò quan trọng nữa của điều khiển phản hồi là khả năng bền vững với sự sai lệch của mô hình Nếu được thiết kế tốt, bộ điều khiển phản hồi có khả năng triệt tiêu sai lệch điều khiển điều mà các sách lược điều khiển khác không thể làm được

✓ Nhược điểm: Ổn định hệ thống là vấn đề riêng của điều khiển phản hồi Một bộ điều khiển phản hồi có thể ổn định một đối tượng không ổn định, song một vòng điều khiển kín chứa một đối tượng ổn định cũng có thể trở nên mất ổn định Bản thân các cảm biến cũng chịu tác động của nhiễu đo nên khi các giá trị đo có sai số lớn thì chất lượng điều khiển không còn được đảm bảo nếu không có các thuật toán lọc nhiễu thích hợp Một nhược điểm nữa là bộ điều khiển phản hồi làm việc theo nguyên tắc phản ứng, nghĩa là chỉ khi có ảnh hưởng của nhiễu được thể hiện trong giá trị biến được điều khiển thì mới có tác động trở lại, điều này là không thể chấp nhận được đối với những quá trình có tính đáp ứng chậm (như quá trình nhiệt, quá trình phản ứng) Như vậy, trước khi bộ điều khiển kịp đưa ra tác động điều chỉnh thì chất lượng sản phẩm đã bị ảnh hưởng

3.3 Điều khiển truyền thẳng [4]

Đặc điểm cơ bản của điều khiển truyền thẳng là số biến nhiễu quá trình được đo

và được đưa tới bộ điều khiển Dựa trên các giá trị đo được và giá trị đặt cho bộ điều khiển, bộ điều khiển sẽ tính toán và đưa ra giá trị cho biến điều khiển Nếu đặc tính đáp ứng của quá trình với biến điều khiển cũng như với nhiễu biết trước, bộ điều khiển

có thể thực hiện thuật toán bù trước sao cho giá trị biến điều khiển đúng bẳng giá trị đặt

Trang 23

✓ Ưu điểm: là khả năng loại bỏ nhiễu trước khi nó kịp ảnh hưởng xấu đến quá trình Nó được sử dụng rộng rãi bởi vì tác động nhanh, cho phép loại bỏ đáng kể ảnh hưởng của nhiễu đo được trước khi nhiễu này kịp tác dộng xấu đến hệ thống, cũng như giúp hệ thống đáp ứng nhanh với giá trị đặt thay đổi

✓ Nhược điểm: Một bộ điều khiển truyền thẳng không có khả năng ổn định một quá trình không ổn định Đồng thời, nó cũng khá nhạy cảm với sai lệch

mô hình Một nhược điểm nữa của điều khiển truyền thẳng là khả năng bị ảnh hưởng của nhiễu không đo được Trong thực tế, bất kì một quá trình nào cũng tồn tại nhiều nguồn nhiễu Ngay khi các biến nhiễu được xem xét đến thì không phải biến nhiễu nào cũng đo được

3.4 Điều khiển tầng [4]

Điều khiển tầng là một cấu trúc mở rộng của điều khiển phản hồi vòng đơn được

sử dụng nhằm khắc phục những nhược điểm ở trên của điều khiển phản hồi Điều khiển tầng giúp loại bỏ ảnh hưởng của một số dạng nhiễu và cải thiện rõ rệt đặc tính động học của hệ thống Tư tưởng chính của điều khiển tầng là phân cấp điều khiển nhằm loại bỏ ảnh hưởng của nhiễu ngay tại nơi nó được sinh ra

Hai cấu trúc của điều khiển tầng là nối tiếp (thêm một biến đo) và song song (thêm một biến điều khiển) Cấu trúc nối tiếp được ứng dụng nhiều trong thực tế

Ưu điểm của điều khiển tầng là cải thiện khả năng loại bỏ nhiễu cục bộ, giảm độ quá điều chỉnh, cải thiện tính ổn định của toàn hệ kín và nâng cao tính năng bền vững của hệ kín Do đó, ta chỉ áp dụng sách lược điều khiển tầng khi:

✓ Chất lượng của hệ điều khiển vòng đơn thông thường không đáp ứng được yêu cầu đề ra

✓ Quá trình có thể phân chia thành hai quá trình con với nguồn nhiễu tác động độc lập, trong đó khâu đứng sau phải chậm hơn nhiều so với khâu đứng trước

✓ Sách lược bộ nhiễu không áp dụng được hoặc áp dụng nhưng kém hiệu quả hoặc không giải quyết được triệt để ảnh hưởng của nhiễu cục bộ và khâu đứng trước

Trang 24

3.5 Quy trình xây dựng mô hình động

Hình 3.3: 9 bước cơ bản để xây dựng một mô hình động

1

• Thiết lập mô hình tĩnh: (Add Component, lựa chọn gói nhiệt động, tạo Assay và Blend để khởi tạo dòng nhập liệu.)

• Sau đó tạo tháp chưng với các spec mong muốn để tháp hội tụ

(converged) và có số liệu sơ khởi

• Cuối cùng thêm các thiết bị trao đổi nhiệt cần thiết và kiểm tra lại mô hình

2

• Tính toán kích thước cho tháp (T-101, T-102) và các thiết bị chứa lỏng (condenser, reboiler, heater, cooler)

3 • Lắp đặt van và bơm cần thiết (bơm nhập liệu, bơm sản phẩm, )

4 • Tính toán cho các thiết bị trở lực (resistance devices)

5 • Lựa chọn mô hình điều khiển và cài đặt các thông số điều khiển đầu tiên

6 • Xác định chỉ tiêu pressure/flow đối với các dòng biên (boundary streams)

7 • Chuyển đổi từ môi trường từ tĩnh sang động

8 • Cài đặt các faceplates, stripchart và tạo spreadsheet để theo dõi

9 • Khởi động, theo dõi và điều chỉnh lại các thông số điều khiển

Trang 25

THIẾT KẾ HỆ THỐNG QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

4 THIẾT KẾ HỆ THỐNG QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

4.1 Thiết kế quá trình và tính toán cân bằng vật chất năng lượng

➢ Lựa chọn gói nhiệt động (Fluid Package): Peng-Robinson

Hình 4.1: Package type

Lựa chọn gói nhiệt động theo hướng dẫn ở tài liệu tham khảo [5] Peng-Robinson

là gói nhiệt động phổ biến trong các ứng dụng dầu khí

➢ Áp suất đỉnh tháp Ptop - T101: 3.000 barg

➢ Áp suất đáy tháp Pbottom -T101: 3.162 barg

Trang 26

Hình 4.2: Parent Environment

Hình 4.3: Column Environment

Trang 27

Hình 4.4: Cân bằng năng lượng

Hình 4.5: Cân bằng vật chất

Trang 28

4.2 Tính toán và thiết kế thiết bị

Kích thước và cấu trúc của thiết bị chiếm giữ vai trò vô cùng quan trọng khi mô phỏng mô hình Chất lượng của thiết bị và phản hồi đến biến động nhập liệu phụ thuộc cao vào kích thước của thiết bị và cũng liên quan đến độ lớn của nhiễu

4.2.1 Tính toán thiết kế thiết bị chính

4.2.1.1 Tính toán thiết kế tháp chưng T-101

Hình 4.6: Profiles trạng thái tĩnh của tháp T-101

Tháp chưng cất T-101 có cấu tạo gồm: 21 mâm, 1 condenser V-101, 1 reboiler

F-101 Nhập liệu vào tháp ở mâm số 16 Dòng trích ngang đi từ mâm số 12 đi vào tháp stripper và quay lại vào mâm số 10

✓ Lựa chọn “Solving method” là “Modified HYSYM Inside-Out” giúp cho phép tạo thiết bị phụ trợ (như mixer, tee, hay thiết bị trao đổi nhiệt với mô hình đơn giản) trong Column Environment

✓ Heat and Spec Error (Inner Loop) và Equilibrium (Outer loop) sử dụng các giá trị mặc định là 0.0005 và 0.00001 Các giá trị này đã đủ nhỏ và không cần giảm thêm

Trang 29

✓ Chọn hệ số damping cố định là 0.7 (Damping Factor giới hạn kích thước bước mà thuật toán của tháp thực hiện khi xác định ước tính ban đầu mới cho các phép tính của nó Để tránh trường hợp tháp với equilibrium errors biến động hoặc hội tụ rất chậm, nên giảm hệ số này từ giá trị mặc định 1 xuống khoảng 0.3-0.9 và kiểm tra.)

✓ Số bậc tự do DOF = (số biến chưa biết) – (số phương trình) Ở đây, ta cần active 4 specs để đạt DOF = 0 Tháp hội tụ với tỷ số hồi lưu R = 0.6216

✓ Heat Loss: chọn mô hình Simple, nhiệt độ môi trường 25°C

✓ Ở trạng thái tĩnh, profile áp suất do người dùng nhập, nhưng khi mô phỏng động, tháp có sự tính toán thủy tĩnh Để đạt được profile áp suất, có thể điều chỉnh MaxDP/Tray, bằng cách giảm chiều cao gờ chảy tràn thấp hơn “Static head contribution” và “Max DP/Tray” Đồng thời, giá trị “Max DP” nên nhỏ hơn 15% khoảng cách mâm.[6]

✓ Gờ chảy tràn nhằm mục đích giữ lỏng trên mâm, chiều cao thông thường từ

2 đến 4 inch (50.8 đến 101.6 mm) Mực chất lỏng lưu giữ trên mâm cao sẽ dẫn đến độ giảm áp qua mâm cũng cao.[6]

✓ Khoảng cách mâm thông thường từ 18-24 inch (phù hợp để công việc bảo trì được thực hiện dễ dàng) Tuy nhiên, khoảng cách mâm cao sẽ dẫn đến chiều cao tổng thể của tháp tăng lên, dẫn đến tiêu tốn vật liệu nhiều hơn, có cấu trúc phụ trợ (dầm, ).[6]

✓ Đối với đa số tháp, Single-pass cross-flow tray là vừa đủ 2 đường chảy trở lên chỉ sử dụng cho tháp có đường kính lớn Nhiều đường chảy (pass) sẽ dẫn đến giảm chiều dài đường đi (path length), qua đó làm giảm hiệu suất mâm, đồng thời tăng chi phí thiết bị.[6]

✓ Mâm van (valve tray) có vùng vận hành và công suất lớn hơn so với mâm sàng (sieve tray) và độ giảm áp thấp hơn loại bubble cap Tuy nhiên, nó cũng đòi hỏi chi phí cao hơn mâm sàng Mâm van được xem xét khi mâm sàng không đạt được turndown ratio mong muốn (tỉ lệ giữa lưu lượng dòng cao nhất và thấp nhất).[6]

Trang 30

✓ Đường kính tháp được tính bởi tốc độ hơi tối đa Tốc độ này quá cao, tháp

dễ bị ngập lụt Mâm có tốc độ hơi tối đa cao nhất sẽ thiết kế có đường kính nhỏ nhất Với tháp có đường kính không lớn hơn 0.9144 m, độ ngập lụt tối

đa không nên lớn hơn 80%.[7]

✓ Hiệu suất mâm thường nằm ở khoảng 30%-80%, và con số 70% thường được chọn cho thiết kế đầu tiên Hiệu suất sẽ thấp hơn đối với chưng cất chân không, khi chiều cao gờ chảy tràn thấp nhằm giữ cho độ giảm áp ở mức thấp.[11]

✓ Đối với mâm thông thường, thời gian lưu giữ lỏng yêu cầu ít nhất là 3s.[11]

Từ các ý tưởng như trên, sử dụng công cụ Tray Sizing của Hysys, tiến hành nhập các thông số như sau :

➢ Thông số thiết kế mâm 1 đến mâm 9

Mâm van, hiệu suất mâm 0.75 cùng các thông số sau:

- Đường kính: 0.9144 m

- Max Delta P (chiều cao chất lỏng): 152.44 mm

- Khoảng cách mâm là 0.5 m; bề dày mâm là 3 mm

- Chiều dài gờ chảy tràn: 0.6189 m

- Độ ngập lụt tối đa: 80%

- Các thông số còn lại sử dụng giá trị mặc định của Hysys

Bảng 4.1: Một số thông số trên tab Performance mâm 1-9

Flooding (%)

DC Backup (%)

Thời gian lưu giữ lỏng (s)

Chiều cao chất lỏng trên gờ (mm)

Trang 31

➢ Thông số thiết kế mâm 10: mâm Chimney

Thể tích và tổng lượng trích ngang lớn yêu cầu cần có mâm chimney Các thiết bị thay thế có cùng mục đích trích dòng lỏng trung gian tương tự như downcomer trapouts, chevron collectors,… So với chúng, mâm chimney có những ưu điểm như giảm tối thiểu lượng lỏng rò rỉ xuống vùng phía dưới, thời gian lưu giữ tốt hơn, điều khiển êm dịu hơn.[8] Trong Hysys, hiệu suất mâm này mặc định là 5% (xem như không xảy ra quá trình truyền khối)

Thời gian lưu trữ thấp hơn 1 phút thường được áp dụng cho mâm chimney dùng

để trích lỏng sang thiết bị khác Thời gian lớn hơn sẽ yêu cầu mâm chimney có chiều cao quá mức Risers phải đủ cao để đảm bảo đủ thời gian lưu giữ, thường là từ 12-18 inch.[8]

Thiết kế mâm số 10 với các thông số mâm như sau:

- Max Delta P (chiều cao mức lỏng): 227.2 mm

- Khoảng cách mâm: 1 m

- Riser Height: 500 mm, residence time: 1 phút

- Chiều cao gờ chảy tràn: 457.2 mm

- Chiều dài gờ chảy tràn: 731.5 mm

- DC Clearance: 80 mm

➢ Thông số thiết kế mâm 11 đến mâm 21

Chọn loại mâm van, hiệu suất 0.7

- Đường kính: 0.9144 m

- Max Delta P (chiều cao chất lỏng): 152.44 mm

- Khoảng cách mâm là 0.5 m; bề dày mâm là 3 mm

- Chiều dài gờ chảy tràn: 0.6189 m

- Chiều cao gờ: 50 mm

- Độ ngập lụt tối đa: 80%

Trang 32

Bảng 4.2: Một số thông số trên tab Performance mâm 11-21

Flooding (%)

DC Backup (%)

Thời gian lưu giữ lỏng (s)

Chiều cao chất lỏng trên gờ (mm)

Trang 33

Chọn bồn chứa loại nằm ngang (thể tích lỏng nhiều hơn hơi) Thời gian lưu giữ chất lỏng thường vào khoảng 5 đến 15 phút [12] Thể tích cho bồn (thời gian lưu giữ 5 phút với mức chất lỏng 50%) là:

V = Std Ideal Vol Flow (m3/h) × 5 1

Có 2 loại để lựa chọn trong Hysys: dạng Kettle và Thermosyphon

Kettle có khoảng hóa hơi tốt hơn (20-100% so với 20-30%), thích hợp với quá trình đòi hỏi hóa hơi cao hoặc chân không, tuy nhiên, nó đòi hỏi kích thước lớn và giá thành cao, có cặn bẩn và dòng nhiệt (heat flux) có giới hạn Trong khi đó thermosyphon thích hợp cho hỗn hợp có khoảng nhiệt độ sôi rộng, hệ có độ nguyên chất cao, nhưng yêu cầu về chiều cao của tháp.[9]

Hình 4.10: Reboiler F-101

Trang 34

Chọn nồi đun dạng kettle loại nằm ngang, lưu giữ chất lỏng 5 phút ở mức 50%

có thể sử dụng “ Liquid Heater” [10]

✓ Khi cố định thể tích, tỷ lệ chiều dài/đường kính được sử dụng giá trị mặc định là 3:2

Hình 4.12: Kích thước của nồi đun F-101

4.2.1.2 Tính toán thiết kế tháp stripper T-102

Tháp stripper T-102 với dòng vào “Draw” từ mâm số 12 của tháp T-101, được bơm P-105 bơm vào mâm số 1 Sản phẩm đỉnh của tháp T-102 sẽ được đưa quay lại mâm số 10 của tháp T-101, sản phẩm lấy từ nồi đun là dòng Out E-106 Tháp dạng tháp đệm (nhược điểm cơ bản của tháp đệm là dễ tạo ra vùng chết ở trong vùng đệm), gồm 20 mâm với hiệu suất mâm là 0.5

Trang 35

Trang 36

✓ Raschig Rings rẻ hơn trên mỗi đơn vị thể tích so với Pall Rings và Saddles nhưng hiệu suất thấp hơn Đây là loại cũ nhất được sản xuất nhưng nhìn chung vẫn thông dụng.[11]

✓ Sự lựa chọn vật liệu đệm phụ thuộc vào bản chất của lưu chất và nhiệt độ vận hành Ceramic là sự lựa chọn đầu tiên cho các loại lưu chất có tính ăn mòn, nhưng nó không thích hợp với môi trường kiềm mạnh.[11]

✓ Vật liệu đệm nhỏ hơn sẽ có Fp (packing factor/Robbins factor) lớn hơn nhưng cũng đòi hỏi đường kính tháp lớn hơn để giới hạn độ giảm áp và ngăn chặn ngập lụt.[11] Đồng thời, vòng đệm nhỏ thì tiếp xúc hơi với phần hồi lưu càng tốt nhưng lực cản thủy lực trong tháp cao

✓ Người ta thường chia đệm ra thành các lớp để đạt sự phân bố đồng đều tốt hơn trong toàn bộ tiết diện tháp (thường là từ 1-1.5m).[11]

➢ Thiết kế tháp T-102:

Sử dụng công cụ Tray Sizing để thiết kết tháp, sử dụng các giá trị của Hysys tính được đồng thời vào Column Environment để lựa chọn vật liệu, kích thước đệm, …

Các giá trị Stage Packing Height (m), Specific Surface Area (m2/m3) và Robbins Factor (m-1) lựa chọn dựa trên các giá trị đề xuất [11] Kết quả thu được trên tab Performance:

- Est #Pieces of Packing: 68831

- Est Mass of Packing (kg): 666.1

- Section Height (m): 8.453

- DP per length (kPa/m): 0.1193

- Max Flooding (%): 47.54

Trang 37

Trang 38

Chọn nồi đun loại nằm ngang, có khả năng lưu giữ chất lỏng 5 phút ở mức 50%

60  0.5 = 3.310 5 1 0.5517

60 0.5

Hình 4.17: Kích thước nồi đun E-106

4.2.2 Tính toán thiết kế thiết bị phụ

4.2.2.1 Tính toán thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt

Được phân làm 4 loại trong Hysys: Simple End Point (đường nhiệt độ là tuyến tính, không xảy ra sự đổi pha và giả thiết Cp là hằng số), Simple Weighted (đường nhiệt độ không tuyến tính, chỉ áp dụng cho dạng ngược chiều, bỏ qua ảnh hưởng của Ft), Simple Steady State Rating (là mô hình mở rộng của Simple End Point, áp dụng được cho cả tuyến tính và gần tuyến tính), Dynamic Rating (nếu chọn Detail Model thì cần thông tin cấu tạo chi tiết).[12]

Các thiết bị trao đổi nhiệt trong mô hình đều được chọn là loại vỏ-ống (shell & tube) ở dạng Simple Steady State Rating, với TEMA Type là B (bonnet) – E (one pass shell) – M (bonnet) Độ giảm áp trên tuyến ống và tuyến vỏ đều giả sử bằng 0 Nhiệt

độ các dòng shell side outlet của E-101, E-103 và E-104 lần lượt là 85℃, 150℃ và 200℃

Riêng E-102 được đơn giản thành heater thuần túy, nhiệt lượng làm mát dòng hơi đỉnh tháp T-101 bởi dòng nhập liệu được gộp chung vào lượng nhiệt của cooler E-105 Một số lưu ý đối với thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt như sau:

✓ Ưu điểm của thiết bị trao đổi nhiệt loại vỏ-ống là cho phép một diện tích bề mặt lớn trong một thể tích nhỏ; có kết cấu cơ khí tốt đồng thời dễ vệ sinh

✓ Trao đổi nhiệt ngược chiều tuy có hiệu số trung bình thấp hơn so với cùng nhiều nhưng nhiệt lượng trao đổi cao hơn nên được sử dụng nhiều hơn trong thực tế

Trang 39

✓ Số tube pass per shell thường là 2n với n là số shell (ngoại trừ cùng chiều thì

là 1-1)

✓ Temperature approaches tối thiểu tối ưu trong thiết bị trao đổi nhiệt phụ thuộc vào mức nhiệt Nên đảm bảo chênh lệch nhiệt độ giữa dòng nóng và dòng nguội bằng hoặc lớn hơn temperature approaches.[13]

• 10℉ đối với nhiệt độ dưới nhiệt độ môi trường

• 20℉ đối với nhiệt độ từ nhiệt độ môi trường đến 300℉

• 50℉ đối với nhiệt độ cao

✓ Đường kính ống thông thường từ 0.75-1 inch Bề dày được chọn theo BWG (Birmingham Wire Gage) Chiều dài và số tube nên đảm bảo vận tốc tối ưu

là 0.9-1.52 m/s đối với chất lỏng và 15-30 m/s đối với chất khí Vận tốc không đạt được thì nên tăng số pass Để đảm bảo độ giảm áp thiết kế có thể đòi hỏi phải tăng số ống và giảm chiều dài ống.[14]

✓ Tỉ lệ thích hợp giữa chiều dài ống và đường kính vỏ từ 5 đến 10.[14]

✓ Tỉ số Tube pitch thường từ 1.25 đến 1.5 [13]

✓ Vách ngăn thường đặt ở trong tuyến vỏ để tác động dòng chảy trong vỏ nhằm nâng cao chất lượng trao đổi nhiệt và duy trì khoảng cách giữa các ống Baffle cut dao động trong khoảng 15% đến 45%.[14]

✓ Nếu hệ số trao đổi nhiệt U nhỏ dễ tạo hiệu ứng cổ chai trên đường đi của dòng nhiệt (bottleneck) và làm cản trở nghiêm trọng đến sự trao đổi nhiệt.[14]

✓ Triangular pattern cung cấp mạng lưới ống cấu trúc vững chắc hơn Còn Square pattern thì dễ vệ sinh và có độ giảm áp trên tuyến vỏ thấp hơn.[14]

Bảng 4.3: Pitch và đường kính ngoài của tube

Đường kính tube (inch) Square Pitch (inch) Triangular Pitch (inch)

Trang 40

Định dạng
Số trang	80
Dung lượng	2,08 MB