Trong thực tế, các nhà máy lọc dầu tiêu thụ rất nhiều năng lượng: 7-9% lượng dầu thô phục vụ cho nhu cầu năng lượng. Các công đoạn chưng cất khí quyển và chưng cất chân không chiếm khoảng 20-30% nhu cầu này, trong đó khoảng 2/3 dành cho chưng cất khí quyển và 1/3 dành cho chưng cất chân không. Các tháp chưng cất này tiêu hao rất nhiều năng lượng nên cần phải quan tâm đặc biệt trong khi thiết kế và vận hành các tháp này. Công nghê của chúng khá đơn giản, nghĩa là cung cấp một lượng nhiệt cho một sản phẩm lạnh(dầu thô) để bốc hơi và thu hồi một phần nhiệt này thông qua các thiết bị ngưng tụ, các hồi lưu tuần hoàn và các thiết bị làm lạnh sản phẩm cần làm lạnh để lưu trữ. Toàn bộ hoạt động này là bất thuận nghịch và 1phần nhiệt cần phải cung cấp nhờ vào các lò đốt trong khi đó một phần khác bị tiêu hao trong các thiết bị làm lạnh bằng không khí và làm lạnh bằng nước. Vì vậy, cần phải phát triển một công cụ vừa cho phép nhìn rõ toàn bộ hệ thống trao đổi nhiệt và thực hiện các phân tích chi tiết nhằm tăng cường vấn đề thu hồi nhiệt lượng.Công cụ cơ bản là giãn đồ biễu diễn quan hệ giữa enthalpie và nhiệt đô, thường gọi là giãn đồ TQ
2.1.8.1 Cấu trúc và cách sử dụng giãn đồ TQ
Đối với một tháp chưng cất cho trước, các thông số về nhiệt độ dòng, về enthalpie của dòng đó là xác định được. Người ta đề cập đến:
- dòng tổ hợp các nguồn cấp nhiệt, gọi là dòng nóng - dòng tổ hợp các nguồn thu nhiệt, gọi là dòng lạnh Giãn đồ enthalpie thể hiện 2 đường cong enthalpie:
- một là enthalpie của các lưu thể nóng phụ thuộc vào nhiệt độ
Tài liệu tham khảo dành cho sinh viên 10H5 năm học 2013-2014 35
Hình 2.16 Giãn đồ TQ-Xác định lượng nhiệt cần cung cấp và lượng nhiệt thoát ra QE và QS
Cách sử dụng đầu tiên của giãn đồ TQ là bằng cách cố định chênh lệch nhiệt tổng thể giữa đường tổ hợp nóng và lạnh (chênh lệch tối thiểu trung bình có thể chấp nhận được) để thiết lập sơ đồ trao đổi nhiệt và lượng nhiệt tối thiểu phải cung cấp cho quá trình (đun nóng lại QE) và thoát ra( làm lạnh QS) theo hình 2.16B
Giãn đồ cung cấp các thông tin cần thiết dưới đây:
- Điểm ‘pinch’ là điểm mà chênh lệch nhiệt độ của đường tổ hợp nóng và đường tổ hợp lạnh là nhỏ nhất. Trong trường hợp mà lượng nhiệt dQ của đường tổ hợp nóng nằm ở trên điểm pinch được dùng để đun nóng lại các dòng lạnh ở dưới điểm pinch, lượng nhiệt này được cung cấp bởi nguồn nhiệt nóng bên ngoài cộng với QE và sẽ thải ra lượng nhiệt tại thiết bị làm lạnh cộng với QS. Khi đó có sự mất mát nhiệt khi đi qua điểm ‘pinch’ (hình 2.17 A và B)
- Trái lại, khi lượng nhiệt có sẵn dưới điểm pinch được truyền cho dòng lạnh trên điểm pinch, điều này sẽ cải thiện việc thu hồi nhiệt bằng cách giảm đồng thời QS và QE. Đây là trường hợp sử dụng bơm nhiệt để hấp thụ lượng nhiệt nằm dưới điểm pinch, tiêu thụ công dW và sinh ra một lượng nhiệt dQ+dW ở phía trên điểm pinch ở nhiệt độ cao hơn.
Tài liệu tham khảo dành cho sinh viên 10H5 năm học 2013-2014 36
Hình 2.17 Giãn đồ TQ-Trường hợp nhiệt nóng lấy ra nằm ở trên vùng pinch để đun nóng các dòng lạnh nằm phía dưới vùng pinch
Lượng nhiệt cung cấp năm trong khoảng từ QE đến QE –(dQ+dW) và lượng nhiệt lấy ra từ QS đến QS-dQ. Vì vậy, để một bơm nhiệt đạt hiệu quả, cần phải làm việc qua giữa điểm pinch. (hình 2.18 A và B)
Hình 2.18 Giãn đồ TQ- Trường hợp nhiệt nóng lấy ra nằm ở dưới vùng pinch để đun nóng các dòng lạnh nằm phía trên vùng pinch
- Chênh lệch nhiệt độ có thể thay đổi nhiều dọc theo đường tổ hợp TQ. Vì vậy, cần phải định vị sự tạo thành các dòng phụ trợ (trên đường tổ hợp lạnh) tại vùng mà chênh lệch nhiệt độ lớn hay có sự tiêu thụ các dòng phụ trợ (trên đường tổ hợp nóng) tại vùng mà chênh lệch nhiệt độ thấp để cải thiện hiệu quả làm việc của hệ bằng cách kéo các đường cong tổ hợp lại
Tài liệu tham khảo dành cho sinh viên 10H5 năm học 2013-2014 37 gần nhau. Hình vẽ 2.19 A và B thể hiện trường hợp này. Các dòng phụ trợ thường là hơi nước, lưu chất nóng…Điều này dẫn đến có thể đồng thời cung cấp 1 lượng nhiệt ở mức độ nhiệt thấp hơn so với lò đốt (nên chi phí rẻ hơn) và tạo ra các dòng phụ trợ có mức độ nhiệt thấp hơn có thể sử dụng được so với các dòng từ nơi khác.
Hình 2.19 Giãn đồ TQ-Trường hợp có sự tiêu thụ các dòng phụ trợ trên đường tổ hợp nóng
- Các tính toán từ giãn đồ này cho phép xác định các thiết bị trao đổi nhiệt có bề mặt trao đổi nhiệt hiệu quả nhất và để định vị đúng các chỗ phân chia dòng.
2.1.8.2 Áp dụng vào tháp chưng cất khí quyển và chân không
Các phân xưởng chưng cất khí quyển và chân không là những phân xưởng có nhiều dòng nhất và dây chuyền trao đổi nhiệt cũng rất quan trọng bởi tính phức tạp và bề mặt trao đổi nhiệt của chúng. Giãn đồ tổ hợp TQ được áp dụng lý tưởng cho hai phân xưởng này. Việc sử dụng công cụ này cho phép giảm bề mặt trao đổi nhiệt đến hiệu quả không đổi. Điều này được cải thiện bằng cách định vị chính xác việc hình thành/tiêu thụ các dòng phu trợ. Chẳng hạn, bằng cách dùng lượng nhiệt có sẵn ở mức thấp để sinh ra hơi nước ở áp suất rất thấp (< 3 bar). Hơi nước này đươc dùng để stripping trong tháp chưng cất chân không hay để stripping dòng nước cặn chứa axít nằm lân cận tháp chưng cất.
Giãn đồ TQ còn cho phép thực hiện các tính toán kinh tế, chẳng hạn, tính toán chi phí tương đối giữa bề mặt trao đổi nhiệt lắp đặt (đầu tư) và sự tiêu thụ của lò đốt (chí phí vận hành)
2.1.8.3 Dòng phụ trợ
Việc tiêu hao các dòng phụ trợ điển hình phân xưởng chưng cất khí quyển dầu thô công suất 1000 t/h là:
- Lò đốt: 100 đến 400 MW nhiệt - Điện năng: 4 đến 6 MW - Nước làm lạnh: 2000 m3
Tài liệu tham khảo dành cho sinh viên 10H5 năm học 2013-2014 38