ỨNG DỤNG PHÂN TÍCH PINCH ĐỂ TỐI ƯU HÓA NĂNG LƯỢNG TRONG NHÀ MÁY SẢN XUẤT AMONIAC

Thu thập các số liệu cần thiết từ một nhà máy sản xuất ammonia có sẵn. Tiến hành mô phỏng trên Aspen Hysys Aspen Plus quy trình sản xuất ammonia này. Tiến hành “kiểm toán năng lượng”: nhận dạng các dòng năng lượng vào và ra khỏi quy trình sản xuất, các thiết bị tiêu thụ năng lượng chính trong nhà máy. Sử dụng kỹ thuật phân tích pinch để đánh giá mức tiết kiệm năng lượng tối đa có thể đạt được. Nhận dạng các nguyên nhân chính gây tổn thất năng lượng trong nhà máy. Đề xuất một số giải pháp để nâng cao mức độ thu hồi nhiệt lượng, cắt giảm lượng năng lượng tiêu thụ trong nhà máy. Đánh giá chi phí và lợi nhuận của các giải pháp đã đề xuất, với sự trợ giúp của phần mềm mô phỏng Aspen Hysys Aspen Plus. 3. Ngày giao nhiệm vụ luận văn: 01 09 2019 4. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 30 05 2020Thu thập các số liệu cần thiết từ một nhà máy sản xuất ammonia có sẵn. Tiến hành mô phỏng trên Aspen Hysys Aspen Plus quy trình sản xuất ammonia này. Tiến hành “kiểm toán năng lượng”: nhận dạng các dòng năng lượng vào và ra khỏi quy trình sản xuất, các thiết bị tiêu thụ năng lượng chính trong nhà máy. Sử dụng kỹ thuật phân tích pinch để đánh giá mức tiết kiệm năng lượng tối đa có thể đạt được. Nhận dạng các nguyên nhân chính gây tổn thất năng lượng trong nhà máy. Đề xuất một số giải pháp để nâng cao mức độ thu hồi nhiệt lượng, cắt giảm lượng năng lượng tiêu thụ trong nhà máy. Đánh giá chi phí và lợi nhuận của các giải pháp đã đề xuất, với sự trợ giúp của phần mềm mô phỏng Aspen Hysys Aspen Plus. 3. Ngày giao nhiệm vụ luận văn: 01 09 2019 4. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 30 05 2020Thu thập các số liệu cần thiết từ một nhà máy sản xuất ammonia có sẵn. Tiến hành mô phỏng trên Aspen Hysys Aspen Plus quy trình sản xuất ammonia này. Tiến hành “kiểm toán năng lượng”: nhận dạng các dòng năng lượng vào và ra khỏi quy trình sản xuất, các thiết bị tiêu thụ năng lượng chính trong nhà máy. Sử dụng kỹ thuật phân tích pinch để đánh giá mức tiết kiệm năng lượng tối đa có thể đạt được. Nhận dạng các nguyên nhân chính gây tổn thất năng lượng trong nhà máy. Đề xuất một số giải pháp để nâng cao mức độ thu hồi nhiệt lượng, cắt giảm lượng năng lượng tiêu thụ trong nhà máy. Đánh giá chi phí và lợi nhuận của các giải pháp đã đề xuất, với sự trợ giúp của phần mềm mô phỏng Aspen Hysys Aspen Plus. 3. Ngày giao nhiệm vụ luận văn: 01 09 2019 4. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 30 05 2020

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC BỘ MƠN KỸ THUẬT CHẾ BIẾN DẦU KHÍ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC ỨNG DỤNG PHÂN TÍCH PINCH ĐỂ TỐI ƯU HÓA NĂNG LƯỢNG TRONG NHÀ MÁY SẢN XUẤT AMONIAC SVTH : Nguyễn Thị Cẩm Tú MSSV : 1613976 Lớp : HC16KSTN GVHD: TS Nguyễn Thành Duy Quang THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, 2020 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc BỘ MƠN KT CHẾ BIẾN DẦU KHÍ NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP HỌ VÀ TÊN: NGUYỄN THỊ CẨM TÚ MSSV: 1613976 NGÀNH: KT CHẾ BIẾN DẦU KHÍ LỚP: HC16KSTN Tên luận văn: Ứng dụng phân tích pinch để tối ưu hóa lượng nhà máy sản xuất Ammonia Nhiệm vụ: - Thu thập số liệu cần thiết từ nhà máy sản xuất ammonia có sẵn - Tiến hành mô Aspen Hysys / Aspen Plus quy trình sản xuất ammonia - Tiến hành “kiểm tốn lượng”: nhận dạng dịng lượng vào khỏi quy trình sản xuất, thiết bị tiêu thụ lượng nhà máy - Sử dụng kỹ thuật phân tích pinch để đánh giá mức tiết kiệm lượng tối đa đạt - Nhận dạng nguyên nhân gây tổn thất lượng nhà máy - Đề xuất số giải pháp để nâng cao mức độ thu hồi nhiệt lượng, cắt giảm lượng lượng tiêu thụ nhà máy - Đánh giá chi phí lợi nhuận giải pháp đề xuất, với trợ giúp phần mềm mô Aspen Hysys / Aspen Plus Ngày giao nhiệm vụ luận văn: 01/ 09 / 2019 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 30 / 05 / 2020 Họ tên người hướng dẫn: Phần hướng dẫn: - Nguyễn Thành Duy Quang, BM Chế Biến Dầu khí 100% Nội dung yêu cầu LVTN thông qua Bộ môn Ngày tháng năm 2020 CHỦ NHIỆM BỘ MÔN (Ký ghi rõ họ tên) TS Đào Thị Kim Thoa PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN Người phản biện (chấm sơ bộ): Đơn vị: Ngày bảo vệ: Điểm tổng kết: Nơi lưu trữ luận văn: Bộ Mơn Chế Biến Dầu Khí NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHÍNH (Ký ghi rõ họ tên) TS Nguyễn Thành Duy Quang LỜI CẢM ƠN Trong suốt trình học tập làm việc trường đại học Bách Khoa – đại học Quốc Gia Tp.HCM, em học tập, rèn luyện tích lũy khơng kiến thức lĩnh vực chun mơn mà cịn đúc kết kinh nghiệm sống cách làm người Em xin chân thành cảm ơn tất quý thầy cô bạn trường đại học Bách Khoa – đại học Quốc Gia Tp.HCM dạy dỗ giúp đỡ em suốt năm qua Trong suốt trình thực đề tài luận văn tốt nghiệp, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Tiến sĩ Nguyễn Thành Duy Quang (Giảng viên mơn Kỹ thuật chế biến dầu khí – khoa kỹ thuật hóa học – trường đại học Bách Khoa – đại học Quốc Gia Tp.HCM), giảng viên hướng dẫn luận văn tốt nghiệp em Thầy định hướng cho em chọn đề tài thầy tạo điều kiện thuận lợi để em phát huy tinh thần tự giác học tập làm việc Không thế, thầy theo sát hướng dẫn tận tình suốt trình em thực đề tài luận văn tốt nghiệp, thầy sẵn sàng giải đáp thắc mắc cách rõ ràng chi tiết vấn đề em chưa hiểu rõ Đồng thời, em xin gửi lời cảm ơn tới anh Nguyễn Trường Giang, cán nhà máy đạm Cà Mau, anh người cung cấp quy trình sản xuất amoniac số liệu liên quan nhà máy để em thực đề tài Ngoài ra, thời gian em thực đề tài anh sẵn sàng hỗ trợ giải đáp thắc mắc em giúp em hoàn thành đề tài cách tốt Ngồi giới hạn thời gian phạm vi kiến thức em cịn hạn chế nên luận văn chắn khơng tránh khỏi thiếu sót em mong nhận đóng góp, bảo thêm quý thầy để em cải thiện tương lai Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý thầy cô môn Kỹ thuật chế biến dầu khí truyền đạt trang bị cho em kiến thức có giá trị quý báu cho hành trình tương lai sau em i TĨM TẮT LUẬN VĂN Mục đích nghiên cứu áp dụng cơng cụ tích hợp quy trình để thực việc phân tích, đánh giá cải thiện hiệu sử dụng lượng cho dự án nâng cấp nhà máy sản xuất amoniac tối ưu trước Thơng thường thực tế, ta chia sơ đồ quy trình công nghệ nhà máy thành hai phần để phân tích gồm phần nóng phần lạnh Trong phần nóng, sau tiến hành phân tích tích hợp nhiệt phương pháp phân tích pinch ta thu kết cho thấy quy trình điều kiện hot – end threshold (nghĩa quy trình nhà máy khơng địi hỏi tiện ích nóng bên ngồi) tải tiện ích (utility loads) theo yêu cầu quy trình tìm thấy trùng với mục tiêu tối thiểu tính tốn Điều cho thấy rõ ràng phần nóng nhà máy sản xuất amoniac lựa chọn để phân tích luận văn tích hợp tốt khơng cần thực thêm việc tiết kiệm lượng thông qua tích hợp lượng quy trình – quy trình Đối với phần lạnh, nghiên cứu nâng cấp nhà máy sẵn có bị chi phối lượng cơng máy nén lượng tiêu thụ hệ thống lạnh Áp dụng kết hợp phân tích pinch phân tích exergy để phân tích cho chu trình lạnh nhà máy cho kết phần công máy nén sử dụng khơng hiệu điều loại bỏ ta thực công việc tích hợp lượng cách tốt Do đó, cách đề xuất mức nhiệt độ làm lạnh tối ưu ta tiết kiệm lượng đáng kể tiêu thụ điện mà không cần thực khoảng đầu tư Do đó, phương án có tính khả thi cao áp dụng giúp nhà máy tiết kiệm đáng kể chi phí vận hành ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮT LUẬN VĂN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC HÌNH .v DANH MỤC BẢNG vii CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục tiêu .2 1.3 Bố cục luận văn CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Khái niệm tích hợp quy trình (Process integration) 2.2 Phân tích Pinch (Pinch analysis) 2.2.1 Tổng quan phân tích Pinch 2.2.2 Các công cụ sử dụng phân tích Pinch 2.2.3 Vấn đề ngưỡng (Threshold problems) 15 2.3 Phân tích Exergy 18 2.4 Kết hợp phân tích pinch phân tích exergy 19 CHƯƠNG QUY TRÌNH THỰC HIỆN 20 3.1 Thuyết minh quy trình .20 3.2 Trích xuất liệu (Data extraction) 28 3.2.1 Dữ liệu vận hành (Operating Data) 28 3.3 Phân tích tích hợp nhiệt cho phần nóng 31 3.3.1 Tối thiểu hóa nhu cầu sử dụng tiện ích .37 iii 3.4 Phân tích tích hợp nhiệt cho phần lạnh 38 3.4.1 Phân tích mức làm lạnh chu trình lạnh amoniac có 41 3.4.2 Phương án nâng cấp cho mức làm lạnh 43 3.4.3 Tính tốn exergy mát cho chu trình chu trình sau nâng cấp (Exergy losses calculation for existing and retrofitted cycle) 48 3.4.4 Tính tốn chi phí lợi nhuận phương pháp cải tiến .49 CHƯƠNG KẾT LUẬN .50 CHƯƠNG TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 iv DANH MỤC HÌNH Hình 2.1: Sơ đồ thể giá trị tiện ích sử dụng nhà máy Hình 2.2: Sơ đồ thể nguyên tắc tối thiểu hóa sử dụng tiện ích Hình 2.3: Các đường cong composite .8 Hình 2.4: Sử dụng đường cong composite để xác định ΔTmin 10 Hình 2.5: Sử dụng đường composite để xác định mục tiêu lượng 10 Hình 2.6: Điểm pinch 11 Hình 2.7: Ảnh hưởng ΔTmin đến khả thu hồi nhiệt lượng 13 Hình 2.8: Sự đánh đổi chi phí đầu tư chi phí lượng 14 Hình 2.9: Đường cong grand composite 15 Hình 2.10: Đường cong composite điều kiện bình thường 16 Hình 2.11: Process–process/utility–process divider 17 Hình 3.1: Cụm tách loại lưu huỳnh .20 Hình 3.2: Cụm Reforming .21 Hình 3.3: Cụm chuyển hóa CO .22 Hình 3.4: Cụm tách loại CO2 23 Hình 3.5: Cụm metan hóa 24 Hình 3.6: Cụm tổng hợp ammoniac 25 Hình 3.7: Chu trình lạnh amoniac 27 Hình 3.8: Sơ đồ khối nhà máy sản xuất amoniac 29 Hình 3.9: Sơ đồ mạng trao đổi nhiệt nhà máy 35 Hình 3.10: Đường cong composite cho trường hợp sở 36 Hình 3.11: Đường cong grand composite .36 Hình 3.12: Chu trình lạnh nhà máy Đạm Cà Mau 39 v Hình 3.13: Sơ đồ mạng trao đổi nhiệt 40 Hình 3.14: Đường cong composite 42 Hình 3.15: Đường cong exergy composite 42 Hình 3.16: Đường cong exergy grand composite 43 Hình 3.17: Đường EGCC 44 Hình 3.18: Cấu tạo chiller .47 vi DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1: Thông số thiết bị trao đổi nhiệt phần nóng 29 Bảng 3.2: Thông số thiết bị trao đổi nhiệt phần lạnh .30 Bảng 3.3: Problem Table Analysis ứng với trường hợp sở 32 Bảng 3.4: Sự thay đổi chiller sau nâng cấp 44 Bảng 3.5: Exergy mát mức làm lạnh mong muốn 48 Bảng 3.6: Tính tốn kinh tế cho phương pháp cải tiến 49 vii CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề Năng lượng động lực phát triển kinh tế ta cần sử dụng lượng cách hợp lý hiệu để đảm bảo cho phát triển kinh tế bền vững Điều then chốt để kiểm soát tốt việc sử dụng hiệu nguồn lượng quản lý lượng (Energy management) Quản lý lượng công việc nhằm đảm bảo tất quy trình thực với đầu vào lượng tối thiểu, điều giúp giảm chi phí tăng lợi nhuận cho nhà máy Quản lý lượng hiệu không mang lại lợi ích kinh tế mà cịn có ý nghĩa quan trọng môi trường Sử dụng lượng hiệu có nghĩa phát thải khí nhà kính thấp phát sinh chất thải giảm Quản lý lượng đạt theo hai hướng tiếp cận chính: giảm chi phí tính đơn vị lượng; hai giảm lượng tiêu thụ tính đơn vị sản phẩm Đồng phát nhiệt lượng (Co-generation of heat and power) ví dụ cho cách tiếp cận thứ để quản lý lượng cho nhà máy, tích hợp quy trình (Process integration) ví dụ điển hình cho hướng quản lý lượng thứ hai Amoniac hóa chất cơng nghiệp có lượng tiêu thụ lớn giới có ý nghĩa đặc biệt quan trọng nơng nghiệp Mặc khác, tổng hợp amoniac quy trình điển hình địi hỏi tiêu thụ lượng lớn lượng, cần từ đến 12 GCal / ammoniac [2] tùy thuộc vào nguyên liệu thô sử dụng quy trình xử lý Do đó, nỗ lực cải thiện hiệu sử dụng lượng cần nghiên cứu thời gian dài nhiều mặt để xem xét, đánh giá, phân tích cặn kẽ từ đưa phương án cải tiến tốt cho nhà máy Cụ thể, nỗ lực nhằm tối ưu lượng tiêu thụ thực công tác quản lý lượng Quản lý lượng thực phương pháp khác giai đoạn khác tùy vào trường hợp cụ thể Việc quản lý lượng thực thông qua thay đổi giai đoạn thiết kế mang lại kết tốt nhất, giúp nhà máy tiết kiệm tối đa lượng tiêu thụ Tuy nhiên, giải pháp áp dụng cho nhà máy trình xây dựng Đối với nhà máy sản xuất Hình 3.13: Sơ đồ mạng trao đổi nhiệt 40 3.4.1 Phân tích mức làm lạnh chu trình lạnh amoniac có Sự mát exergy thực tế khơng thể tránh khỏi tất trình tự nhiên trình khơng thuận nghịch Xét khía cạnh kỹ thuật kinh tế, exergy có giá trị Do đó, quy trình nào, exergy ứng dụng để phân tích, đánh giá tối ưu hóa lượng giá trị tổn thất exergy tối ưu quy trình (nghĩa giá trị mà chi phí vận hành quy trình tối thiểu) nên tìm thấy Một vài cơng cụ bao gồm đường cong composite (CCs), đường cong exergy composite (ECC), đường cong exergy grand composite (EGCC) sử dụng để xác định việc tận dụng exergy quy trình Đường cong exergy composite ứng với trường hợp sở nhà máy, thể hình 3.15, xây dựng cách thay giá trị nhiệt độ trục tung đồ thị chứa đường cong composite cho 𝑇 phần lạnh (hình 3.14) hệ số Carnot ŋ𝐶 , với ŋ𝐶 = − Diện tích đường 𝑇 cong composite nóng lạnh đại diện cho phần mát exergy ký hiệu (𝜎𝑇0 )𝐻𝐸𝑁 Do đó, (𝜎𝑇0 )𝐻𝐸𝑁 tương ứng với lượng công lý tưởng tương đương bị mát trình truyền nhiệt Nguyên tắc áp dụng tương tự cho đường cong grand composite Hình 3.16 cho thấy vị trí tiện ích mức làm lạnh môi chất lạnh, liệu thể dạng đường cong exergy grand composite Chu trình lạnh amoniac sử dụng hai mức nhiệt độ amoniac -9 17 oC Hệ thống tiện ích cung cấp exergy, phần bị mát thiết bị trao đổi nhiệt (diện tích EGCC mức tiện ích ký hiệu (𝜎𝑇0 )𝐻𝐸𝑁 ), phần cịn lại cung cấp cho quy trình (diện tích bên EGCC ký hiệu ∆𝐸𝑋𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑠 ) Cho quy trình nhiệt độ thấp, hệ thống lạnh hệ thống tiện ích Linnhoff Dhole cho thấy thay đổi vùng thể (𝜎𝑇0 )𝐻𝐸𝑁 tương ứng với thay đổi yêu cầu cơng làm lạnh 41 Hình 3.14: Đường cong composite Hình 3.15: Đường cong exergy composite 42 Hình 3.16: Đường cong exergy grand composite 3.4.2 Phương án nâng cấp cho mức làm lạnh Trong luận văn này, phương án tiết kiệm cơng máy nén chu trình lạnh thực thông qua việc cải thiện giá trị chênh lệch nhiệt độ quy trình mức làm lạnh cách đề xuất mức làm lạnh Nhiệt độ môi chất lạnh sử dụng chiller ứng với mức -9 17 oC mức nhiệt độ mong muốn cải thiện tương ứng -5,4 20,92 oC Vị trí mức nhiệt độ làm lạnh cũ trình bày giản đồ thể hình 3.17 Giản đồ thể rõ ràng diện tích EGCC mức làm lạnh, tức (𝜎𝑇0 )𝐻𝐸𝑁 giảm xuống, khơng làm thay đổi tải nhiệt chiller Ở đây, ý chu trình lạnh nghiên cứu, áp suất vận hành chiller dùng để xác định mức làm lạnh tưng ứng Vì vậy, thông qua việc thay đổi áp suất vận hành chiller, ta đạt mức làm lạnh thỏa mức nhiệt độ mong muốn cải thiện Do đó, để xác định áp suất cần thiết để 43 xác nhận kết đạt sau nâng cấp, chu trình lạnh amoniac mô lại phần mềm Aspen Hysys trước sau nâng cấp Các mức nhiệt độ làm lạnh thay đổi áp suất chiller trước sau nâng cấp trình bày lại bảng 3.4 Hình 3.17: Đường EGCC Bảng 3.4: Sự thay đổi chiller sau nâng cấp Exchanger Ref level before Pressure before Ref level after Pressure after name retrofit (0C) retrofit (kPa) retrofit (0C) retrofit (kPa) E4506 17 781,325 20,92 875 E4509 17 781,325 20,92 875 E4508 -9 301,325 -5,4 345 E4514 -9 301,325 -5,4 345 44 Để thay đổi áp suất vận hành chiller nhằm mục đích đạt mức làm lạnh mong muốn, áp suất khỏi van mà có vị trí trước sau chiller thiết lập Quá trình xác định mức nhiệt độ mong muốn cải thiện mơi chất lạnh trình bày chi tiết sau: Mục đích việc cải thiện hiệu sử dụng lượng cho chu trình lạnh tiết kiệm công máy nén mà không làm thay đổi cấu hình hệ thống mạng trao đổi nhiệt, đó, điều kiện ràng buộc trường hợp cụ thể tải nhiệt chiller Vì vậy, ta tiến hành nâng mức áp suất hoạt động chiller lên dần dần, áp suất vận hành tăng lên làm cho nhiệt độ dịng mơi chất lạnh tăng theo ta thay đổi từ từ tải nhiệt chiller bắt đầu bị thay đổi Từ giá trị áp suất mà bắt đầu làm cho tải nhiệt chiller bị thay đổi ta xác định mức nhiệt độ tương ứng dịng mơi chất lạnh sau nâng cấp Trong chu trình lạnh amoniac, ứng với trường hợp áp dụng mức nhiệt độ mong muốn cải thiện sau tính tốn dịng mơi chất lạnh, giá trị ΔTLM chiller giảm xuống Do đó, thơng thường việc tăng mực chất lỏng chiller diện tích truyền nhiệt tăng lên, điều dẫn đến tải nhiệt chiller giữ nguyên không đổi Mối quan hệ ΔTLM, mực chất lỏng, diện tích truyền nhiệt tải nhiệt chiller giải thích thơng qua cơng thức tốn học sau Diện tích truyền nhiệt chiller tính tốn theo cơng thức phương trình (1) 𝑙 𝑙 𝐿 𝐿 𝐴 = 𝐴𝑡 , 𝑛ế𝑢 𝑙 > 𝐿 𝑡ℎì =1 Với: 𝐴𝑡 : 𝑇ổ𝑛𝑔 𝑑𝑖ệ𝑛 𝑡í𝑐ℎ ố𝑛𝑔 (𝑚2 ) 𝑙: 𝑀ự𝑐 𝑐ℎấ𝑡 𝑙ỏ𝑛𝑔 𝑡𝑟𝑜𝑛𝑔 (𝑚) 𝐿: Độ 𝑐𝑎𝑜 𝑐ủ𝑎 𝑐á𝑐 ố𝑛𝑔 𝑡𝑟𝑜𝑛𝑔 𝑐ℎ𝑖𝑙𝑙𝑒𝑟 (𝑚) 45 (1) Vì vậy, việc so sánh hai điều kiện (trước sau nâng cấp) chu trình lạnh amoniac với giả thiết tải nhiệt chiller hai điều kiện giữ nguyên không đổi tức 𝑄1 = 𝑄2 , ta có: 𝑈1 𝐴1 ∆𝑇𝐿𝑀1 = 𝑈2 𝐴2 ∆𝑇𝐿𝑀2 (2) 𝑈𝑔 = ⇒ 𝑈1 = 𝑈2 = 𝑈𝑙 (3) Vì 𝑈𝑔 ≪ 𝑈𝑙 , ta giả sử: 𝐴2 = 𝐴1 ∆𝑇𝐿𝑀1 ∆𝑇𝐿𝑀2 (4) Thay phương trình (1) vào phương trình (4) ta : 𝑙2 = 𝑙 ∆𝑇𝐿𝑀1 ∆𝑇𝐿𝑀2 ∆𝑙 = 𝑙2 − 𝑙1 (5) (6) Nên lưu ý ∆𝑙𝑟𝑒𝑎𝑙 < ∆𝑙, điều kiện thực tế 𝑈𝑔 ≠ Bên cạnh cơng thức trình bày trên, hình 3.18 thể cấu tạo thiết bị E4506, cấu tạo điển hình chiller chu trình lạnh, nhằm mục đích mơ tả trực quan mối quan hệ ΔTLM, mực chất lỏng, diện tích truyền nhiệt tải nhiệt chiller Từ cấu tạo chiller E4506, ta dễ dàng nhận thấy, chiller có vạch mực chất lỏng min, normal max Khi ta tăng nhiệt độ dịng mơi chất lạnh lên, nghĩa giảm ΔTLM mực chất lỏng chiller tăng lên theo dẫn đến tăng diện tích truyền nhiệt, nhờ mà tải nhiệt chiller giữ nguyên không đổi Tuy nhiên, mực chất lỏng tăng lên phải nằm giới hạn dao động từ tới max Trong trình nâng cấp từ mức nhiệt độ dịng mơi chất lạnh lên mức làm lạnh mong muốn, ta nhận thấy, lưu lượng dòng qua chiller thay đổi đôi chút Vì vậy, thay đổi xem không đáng kể thực tế nhiệt tải chiller giữ cố định sau nâng cấp Do đó, nhiệt độ dịng mơi chất lạnh tăng lên, nhiên ta không cần thực thêm thay đổi hay thiết kế cho chiller chu trình lạnh nhà máy 46 Hình 3.18: Cấu tạo chiller 47 3.4.3 Tính tốn exergy mát cho chu trình chu trình sau nâng cấp (Exergy losses calculation for existing and retrofitted cycle) Các thông số môi trường giả sử sau: 𝑃0 = 101325 𝑃𝑎, 𝑇0 = 298,15 𝐾 Phân tích exergy chiller chiller với mức làm lạnh mong muốn 𝑇 tính tốn sử dụng công thức ∆𝐸𝑥 = ∆𝐻(1 − )[1] Kết tính tốn tóm tắt 𝑇 bảng 3.5 Bảng 3.5: Exergy mát mức làm lạnh mong muốn Exchanger ΔH name (MW) E4506, E4509 E4508, E4514 Existing Proposed ΔEX refrigeration level refrigeration level (MW) (0C) (0C) ΔEX (MW) 11,8 17 -0,32 19 -0,16 9,4 -9 -1,21 -7 -1,07 2 Result ∑|∆𝐸𝑥 |1 = 1,54 ∑|∆𝐸𝑥|2 = 1,23 𝑖=1 𝑖=1 Công máy nén chu trình W = 5,8MW, hiệu suất exergy xác định theo công thức: ŋ𝑒𝑥 = ∑2𝑖=1|∆𝐸𝑥 | 1,54 = = 0,266 𝑊 5,8 ∆(𝜎𝑇𝑜𝐻𝐸𝑁 ) = ∑ ∆𝐸𝑋1 − ∑ ∆𝐸𝑋2 ⇒ ∆(𝜎𝑇𝑜𝐻𝐸𝑁 ) = 0,31 𝑀𝑊 Do đó, giá trị ∆(𝜎𝑊𝑎𝑐𝑡 ) là: ∆(𝑊𝑎𝑐𝑡 ) = ∆(𝜎𝑇𝑜𝐻𝐸𝑁 ) ⇒ ∆(𝑊𝑎𝑐𝑡 ) = 1,165 𝑀𝑊 = 1165 𝑘𝑊 ŋ𝑒𝑥 48 3.4.4 Tính tốn chi phí lợi nhuận phương pháp cải tiến Để đánh giá tính khả thi phương án nâng cấp nhà máy, liệu kinh tế thông số quan trọng cần xem xét Đối với chu trình lạnh amoniac nghiên cứu, ta nhận thấy, trình nâng cấp cấu hình thiết bị cơng nghệ giữ ngun khơng đổi Do đó, khơng phát sinh thêm khoản đầu tư cho hệ thống quy trình cơng nghệ chu trình lạnh amoniac sau nâng cấp Vì vậy, chi phí đầu tư ứng với trường hợp nâng cấp thực Xét khía cạnh lợi nhuận mà phương pháp cải tiến mang lại cho nhà máy, từ số liệu tính tốn cho thấy lượng cơng tiết kiệm 1165 kW Chọn giá điện cơng nghiệp thời điểm tính tốn 2.927 VND/kWh số vận hành năm nhà máy 8500 giờ, ta tính lợi nhuận nhà máy sau nâng cấp 28984617,5 VND Bảng 3.6 tóm tắt kết q trình tính tốn chi phí đầu tư lợi nhuận cho nhà máy Bảng 3.6: Tính tốn kinh tế cho phương pháp cải tiến Chi phí đầu tư Chi phí đầu tư phát sinh sau nâng cấp (VND) Lợi nhuận Số làm việc (giờ) 8500 Chi phí điện (VND/kWh) 2,927 Lượng công tiết kiệm (kWh) 1165 Lợi nhuận nhà máy (VND) 28984617,5 49 CHƯƠNG KẾT LUẬN Chi tiết q trình áp dụng kỹ thuật phân tích pinch để phân tích tích hợp nhiệt cho phần nóng nhà máy amoniac có trình bày cụ thể Tính tốn mục tiêu tiện ích tối thiểu nhà máy lựa chọn để phân tích tích hợp nhiệt tốt với tổng lượng tiện ích nóng lạnh tối thiểu mà quy trình địi hỏi MW 59,65 MW Nghiên cứu nâng cấp cho trình nhiệt độ thấp bị chi phối lượng công máy nén tiêu thụ lượng hệ thống lạnh Do đó, xác định mức nhiệt độ tối ưu mức áp suất chu trình lạnh điều quan trọng Trong phần lạnh nhà máy sản xuất amoniac, kết hợp phân tích pinch phân tích exergy cho thấy phần cơng chu trình khơng hiệu Do đó, việc tối ưu mức làm lạnh cách hợp lý tiết kiệm lượng đáng kể công máy nén (∆(𝑊𝑎𝑐𝑡 ) = 1165 𝑘𝑊) mà không cần khoản đầu tư Đồng thời, để kiểm tra tình trạng hoạt động cụm khác quy trình chu trình lạnh hoạt động mức làm lạnh mới, q trình mơ lại quy trình phải thực với độ xác cao 50 CHƯƠNG TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] M.H Panjeshahi, E Ghasemian Langeroudi, N Tahouni Retrofit of Ammonia Plant for Improving Energy Efficiency 27 February 2007 [2] Haitham M.S Lababidi, Imad M Alatiqi, Lutfi J Nayfeh Energy Retrofit Study of an Ammonia Plant [3] Natural Resources Canada Pinch Analysis for the Efficient Use of Energy, Water & Hydrogen 2003 [4] Natural Resources Canada Pinch Analysis for the Efficient Use of Energy, Water & Hydrogen: Nitrogen – Based Fertilizer Industry Energy Recovery at an Ammonia Plant 2012 [5] Hồng Đình Tín – Lê Chí Hiệp Nhiệt Động Lực Học Kỹ Thuật 1997 [6] Richard Turton, Richard C Bailie, Wallace B Whiting, Joseph A Shaeiwitz, Debangsu Bhattacharyya Analysis, Synthesis, and Design of Chemical Processes 2012 [7] Alan P Rossiter, Beth P Jones Energy Management and Efficiency for the Process Industries 2015 [8] Frank (Xin X.) Zhu Energy and Process Optimization for the Process Industries 2014 [9] Bodo Linnhoff, Vimal Sahdev, Linnhoff Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry 2007 [10] Katerina Kermeli, Ernst Worrell, Wina Graus, Mariëlle Corsten Energy Efficiency and Cost Saving Opportunities for Ammonia and Nitrogenous Fertilizer Production March 2017 [11] J Ruddock, T.D Short & K Brudenell Energy Integration in Ammonia Production 2003 [12] Jiři J Klemeš Handbook of Process Integration (PI): Minimisation of Energy and Water Use, Waste and Emissions 2013 51 [13] Ibrahim Dincer and Marc A Rosen and Pouria Ahmadi Optimization of Energy Systems 2017 [14] D Velázquez, F Rossi, J Rodríguez, F.Galindo Improving Energy Efficiency in an Ammonia Plant 2013 [15] Warren D Seider, Daniel R Lewin, J D Seader, Soemantri Widagdo, Rafiqul Gani, Ka Ming Ng Product and Process Design Principles: Synthesis, Analysis, and Evaluation 2017 [16] Meysam Sahafzadeh, Abtin Ataei, Nassim Tahouni, M Hassan Panjeshahi Integration of a Gas Turbine with an Ammonia Process for Improving Energy Efficiency 2013 [17] Aspentech Aspen Energy Analyzer Tutorial Guide 2008 [18] Ian C Kemp Pinch Analysis and Process Integration: A User Guide on Process Integration for the Efficient Use of Energy 2007 [19] Daniel Flórez-Orrego, Silvio de Oliveira Junior Modeling and Optimization of an Industrial Ammonia Synthesis Unit: An Exergy Approach 20 June 2017 [20] Jacob A Moulijn, Michiel Makkee, Annelie E Van Diepen Chemical Process Technology 2013 [21] Richard Beaman, Cliff Reese Energy Optimization Using Pinch Analysis [22] Max Appl Ammonia: Principles and Industrial Practice [23] M R Amin, S Sharear, N Siddique, Shaidul Islam Simulation of ammonia synthesis 2013 [24] Juma Haydary Chemical Process Design and Simulation: Aspen Plus and Aspen HYSYS Applications 2019 [25] Ya-Tang Chang, Jennifer Dyment Jump Start Guide: Acid Gas Cleaning in Aspen HYSYS, A Brief Tutorial (and supplement to and online documentation) 2018 [26] Aspentech Hysys 2004.2: Simulation Basis 2005 52 [27] Ali Kh Al – matar Selecting Fluid Packages (Thermodynamic Model) for Hysys/ Aspen Plus/ ChemCAD Process Simulators 2015 [28] Linnhoff March Introduction to Pinch Technology 1998 [29] Aspentech Hysys 2004.2: Operations Guide 2005 [30] B Linnhoff, D.W Townsend, D Boland, G.F Hewitt, B.E.A Thomas, A.R Guy, R.H Marsland User Guide on Process Integration for Efficient use of Energy 1996 [31] Polley GT, Panjeh Shahi MH, Nunez MP Pressure Drop Considerations in the Retrofit of Heat Exchanger Networks 1990 [32] Polley GT, Panjeh Shahi MH Interfacing Heat Exchanger Network Synthesis and Detailed Heat Exchanger Design 1991 [33] De Ruyck J, Lavric V, Baetens D, Plesu V Broadening the Capabilities of Pinch Analysis through Virtual Heat Exchanger Networks 2003 [34] Linnhoff B, Dhole VR Shaftwork Targets for Low Temperature Process Design 1992 [35] Dhole VR, Linnhoff B Overall Design of Low Temperature Processes 1994 [36] Townsend DW, Linnhoff B Heat and Power Networks in Process Design: Design Procedure for Equipment Selection and Process Matching 1983 [37] Sorin M, Paris J Combined Exergy and Pinch Approach to Process Analysis 1997 [38] Kirova-Yordanova Z Exergy Analysis of Industrial Ammonia Synthesis 2004 [39] Paul Evans Density of Gases: The Density and Molar Mass of Common Gases at Standard Test Conditions 2015 [40] Nguyễn Thị Minh Hiền Mơ Phỏng Cơng Nghệ Hóa Học [41] D Declercq Heat Integration Analysis 53 [42] OLI Systems, Inc Using Two Fluid Packages in Aspen HYSYS 7.3 using OLI 2015 [43] M Mehdizadeh Fard, F Pourfayaz, M Mehrpooya, A.B Kasaeian Improving Energy Efficiency in a Complex Natural Gas Refinery using Combined Pinch and Advanced Exergy Analyses 2018 [44] Truls Gundersen, Norwegian The Role of Process Integration in Sub-ambient Processes 54 ... cứu ứng dụng phương pháp phân tích pinch ứng dụng kết hợp phân tích pinch với phân tích exergy để tối ưu hóa lượng cho nhà máy sản xuất amoniac sẵn có 1.2 Mục tiêu Ứng dụng phương pháp phân tích. .. áp dụng kỹ thuật phân tích pinch kỹ thuật phân tích exergy nhằm phân tích, đánh giá tối ưu hóa lượng cho nhà máy Cấu hình nhà máy lựa chọn để phân tích luận văn quy trình sản xuất amoniac nhà máy. .. dụng phân tích pinch để tối ưu hóa lượng nhà máy sản xuất Ammonia Nhiệm vụ: - Thu thập số liệu cần thiết từ nhà máy sản xuất ammonia có sẵn - Tiến hành mơ Aspen Hysys / Aspen Plus quy trình sản