1.5.3.3 Đường tổ hợp Grand của tháp chưng cất (CGCC)
Một tháp chưng cất có nhiều thông số vận hành mà khi chúng ta thay đổi có thể sẽ tiết kiệm năng lượng cho quá trình hoạt động của tháp. Những thông số có thể thay đổi bao gồm: Tỉ số hồi lưu, điều kiện nạp liệu, năng suất nhiệt của thiết bị ngưng tụ hơi đỉnh tháp, năng suất nhiệt của thiết bị đun sôi đáy tháp,… Kỹ thuật Pinch giúp chúng ta nhận ra những thông số nào cần thay đổi sẽ làm tăng hiệu quả sử dụng năng lượng 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. Đường cong CGCC cung cấp cho chúng ta một profile nhiệt của tháp chưng cất và nhờ nó mà ta có thể nhận ra những thay đổi phù hợp cho tháp. Đường CGCC cũng giống như 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, phía trên điểm Pinch ứng với đoạn luyện của tháp, đường nằm ngang phía trên cùng biểu diễn lượng nhiệt cần cấp thêm cho Reboiler; phía dưới Pinch tương ứng với đoạn chưng của tháp, đường nằm ngang dưới cùng ứng với lượng tác nhân làm nguội cần thiết cung cấp cho quá trình.
Một tháp chưng cất thông thường được cấp nhiệt ở Reboiller và lấy nhiệt ở phía Condenser, cả hai quá trình này đều tiêu tốn năng lượng cho việc đun nóng và làm
nguội. Giản đồ hình 1.32 cung cấp cho chúng ta một công cụ để giảm lượng nhiệt cần cung cấp cho reboiler hay lấy đi ở condenser bằng cách thực hiện những thay đổi ở Side Condenser và Side Reboiler:
− Side Reboiler: Bố trí các thiết bị đun nóng cấp thêm năng lượng cho tháp dọc theo thang nhiệt độ của tháp (dọc theo chiều cao của tháp)
− Side Condenser: Bố trí các Pumparound dọc tháp để làm nguội
T
R e b o i l e r
S i d e R e b o i l e r
Tỉ lệ hồi lưu Pinch
S i d e C o n d e n s e r
C o n d e n s e r
H
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”, ứng dụng CGCC vào việc phân tích profile nhiệt của tháp giúp chúng ta có cái nhìn trực quan 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 tiến hành tối ưu đĩa nạp liệu trước rồi sau đó mới thực hiện những thay đổi. Những thay đổi 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 năng lượng của tháp chưng cất được thể hiện qua hình 1.33 dưới đây. Tỉ số hồi lưu là một thông số quan trọng liên quan đến khả năng tách của tháp và các điều kiện liên quan đến chế độ chảy trong tháp (làm thay đổi lưu lượng lỏng hơi đi trong tháp).
Dựa theo hình 1.33, chúng ta nhận thấy nếu tăng tỉ lệ hồi lưu thì điểm Pinch sẽ tiến ra xa trục tung (T) đồng nghĩa với việc tăng tiêu hao năng lượng cho reboiler và condenser và ngược lại, nếu giảm tỉ số hồi lưu thì điểm Pinch sẽ dịch lại gần trục tung sẽ giảm tiêu hao năng lượng cho tháp . Trong quá trình phân tích nhiệt cho tháp chưng cất (có đĩa nạp liệu tối ưu) bằng kỹ thuật Pinch thì tỉ số hồi lưu được quan 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 cách tăng số đĩa hoặc thay đổi hiệu suất của đĩa.
− Thay đổi điều kiện nạp liệu của nguyên liệu: Tiền gia nhiệt nguyên liệu trước 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 gia nhiệt cho nguyên liệu.
− Thay đổi Side reboiler/Side condenser: Lắp thêm các Pumparound và heater trên tháp, bằng cách này có thể làm giảm năng suất nhiệt của condenser và reboiler mà không ảnh hưởng lên tỉ số hồi lưu (như trình bày trên hình 1.34c)
T
R e b o i l e r
Tỉ số hồi lưu Pinch
C o n d e n s e r
H
Hình 1.33a: Thay đổi tỉ số hồi lưu
Trong thực tế, thông thường chúng ta nhận thấy sự thay đổi điều kiện của nguyên liệu có tác động nhiều hơn là thay đổi side condenser/side reboiler. Hơn nữa, điều kiện nhập liệu có thể thay đổi dễ dàng hơn vì nó nằm ngoài tháp và không có liên quan nhiều đến cấu trúc của tháp.
T R e b o i l e r Gia nhiệt nguyên liệu C o n d e n s e r H
Hình 1.33b: Thay đổi điều kiện nạp liệu của nguyên liệu
Tóm lại, chúng ta có thể liệt kê ra dưới đây những việc cần làm theo thứ tự để tiến hành làm giảm tiêu thụ nhiệt của tháp chưng cất:
1- Tối ưu đĩa nạp liệu 2- Cải tiến chỉ số hồi lưu 3- Thay đổi điều kiện nhập liệu
T R e b o i l e r S i d e R e b o i l e r S i d e C o n d e n s e r C o n d e n s e r H
Hình 1.33c: Thay đổi Side condenser/Side reoiler
1.5.3.1 Kết hợp tháp và phần còn lại của sơ đồ công nghệ (background process)
Tháp chưng cất (column) tiêu thụ nhiều năng lượng xong nó cũng tạo ra những khả năng có thể tận dụng năng lượng ở các dòng Pumparound hay đỉnh tháp. Nếu chúng ta phân tích tỉ mỉ và có sự kết hợp chặt chẽ quá trình đun nóng và làm nguội của tháp với quá trình đun nóng và làm nguội của toàn bộ sơ đồ công nghệ hiện có thì có thể tiết kiệm được năng lượng cho toàn bộ quá trình, cải tiến hiệu quả tiêu thụ năng lượng.
Với một tháp chưng cất đơn giản hai sản phẩm, dòng sản phẩm đỉnh ra có nhiệt độ Tc, lượng nhiệt lấy đi là Qcondenser tại đáy được cấp thêm một lượng nhiệt QR tại nhiệt độ TR. Như vậy có thể có các trường hợp xảy ra như trong bảng 1.9.
Để làm được việc đó chúng ta cần phải kết hợp profile nhiệt của tháp chưng cất và profile nhiệt của phần còn lại của quá trình. Việc phân tích này được thể hiện trên hình 1.34
Nếu chúng ta phân tích đơn lẻ tháp chưng và phần còn lại thì năng lượng tiêu tốn cho quá trình sẽ bằng tổng năng lượng tiêu tốn cho tháp và quá trình đun nóng và làm nguội của tháp (hình 1.34a).
B
ản g 1 . 9 : Các trường hợp xảy ra khi kết hợp tháp vào sơ đồ công nghệ [2]
Các trường hợp xảy ra Lượng nhiệt cần cung cấpthêm cho quá trình Ghi chú
Tc < TPinch < TR QR Trường hợp xấu nhất
Tc < TR < TPinch 0 Tiết kiệm được lượng tác
nhân đun nóng TPinch < Tc < TR QR – Qcondenser Tiết kiệm được lượng nhiệt
cấp thêm để đun nóng
GVHD: TS. Nguyễn Đình Lâm Trang
Cải tiến mô hình trên để giảm tiêu hao năng lượng, chúng ta sẽ tận dụng năng lượng của các dòng pumparound để cấp nhiệt cho các dòng công nghệ trong quá trình (hình 1.34b). Như vậy, bằng cách này chúng ta có thể giảm được năng lượng cho đun nóng và làm nguội của cả quá trình. Tuy nhiên mô hình này đã vi phạm nguyên tắc pinch, xảy ra quá trình truyền nhiệt từ phía tháp chưng sang phần nguội của background process, để quá trình này không diễn ra thì chỉ có một cách là đặt tháp chưng ở phía Sink của background process.
Mô hình lý tưởng của sự kết hợp phân tích giữa tháp và background process để áp dụng kỹ thuật pinch được thể hiện trên hình 1.34c. Như vậy toàn bộ lượng nhiệt ở side condenser được tận dụng để cấp nhiệt cho phần Sink của background process, lượng nhiệt sử dụng để cấp cho tháp lúc này là bằng không nên:
Qtổng = Qtháp + Qbackground process = Qbackground process (1.7)
T Q h R e b o ile r c o lu m n c o n d e n s e r Q c H
Hình 1.34a: Phân tích riêng lẻ tháp và phần còn lại
Tuy nhiên trong thực tế vì những lý do ăn mòn và an toàn thiết bị khi sử dụng nên chỉ có một phần nhiệt của side condenser được tận dụng để cấp nhiệt cho background process, phần còn lại phải dùng tác nhân phụ trợ để làm nguội. Mô thình thực được thể hiện trên hình 1.34d. o T C Q h S i d e R e b o i le r S id e c o n d e n s e r Profile nhiệt của tháp Q c ? H K W
T Q h R e b o ile r c o lu m n c o n d e n s e r Q c H
Hình 1.34c:Mô hình kết hợp lý tưởng giữa tháp chưng và background process
T Q h R e b o ile r c o lu m n c o n d e n s e r Q c H
Hình 1.34d: Mô hình kết hợp thực giữa tháp chưng và background process
1.6 Ứng dựng kỹ thuật Pinch phân tích “bơm nhiệt” và “máy nhiệt”
Các quá trình trong công nghệ hóa học hầu như đều tiêu thụ năng lượng dưới hai dạng là nhiệt và công. Lượng nhiệt cần thiết cung cấp cho quá trình được thực hiện nhờ các dòng phụ trợ nóng theo hai phương thức khác nhau:
− Trực tiếp: Lượng nhiệt được cung cấp trực tiếp bằng cách đốt cháy một tác nhân để lấy nhiệt
− Gián tiếp: Lượng nhiệt được cung cấp bằng hơi nước hay khói lò, nước nóng hay là các dòng nhiệt hồi lưu của quá trình.
Phần lớn các nhà máy hóa chất thường có hệ thống phụ trợ gồm lò hơi và tuabin khí (hơi) để sản xuất hơi nước, điện. Các tuabin khí (hơi) này gọi là “máy nhiệt”. Tuabin hơi được phân thành 3 loại tùy thuộc vào hơi thoát ra ở đầu ra của tuabin:
− Hơi lấy ra ở đầu ra có áp suất thấp hơn và được dùng để cấp nhiệt cho các dòng công nghệ khác trong quá trình.
− Hơi đầu ra được lấy ra thành 2 cấp khác nhau ở áp suất trung bình và thấp để phục vụ cho những mục đích cấp nhiệt ở các nhiệt độ khác nhau.
− Hơi lấy ra khỏi tuabin có áp suất rất thấp và không thể dùng làm tác nhân nóng cho quá trình nào nên được ngưng tụ và đưa quay về lại bể chứa nước cấp lò hơi.
Trong công nghệ hoá học, bơm nhiệt thường là một máy nén, nó được cung cấp năng lượng từ bên ngoài để lấy nhiệt từ dòng nóng có nhiệt độ T1 (< T2) ở dưới Pinch lên trên Pinch tại nhiệt độ T2, nhờ vậy tiết kiệm được năng lượng cho quá trình đun nóng và làm nguội. Vì vậy, bơm nhiệt chỉ hoạt động hiệu quả khi T1 < Tpinch < T2. [2]
Ứng dụng kỹ thuật Pinch phân tích máy nhiệt có thể làm giảm tiêu thụ năng lượng và sản sinh ra một lượng công cung cấp ngược lại cho quá trình.
1.6.1 Ứng dụng kỹ thuật Pinch phân tích “máy nhiệt”
Trong các quá trình công nghệ, máy nhiệt phục vụ cho mục đích là cung cấp công cần thiết cho quá trình. Nếu chúng ta kết hợp phân tích giữa máy nhiệt và background process một cách chính xác có thể tạo ra hiệu quả năng lượng cao nhất cho cả hai mục đích trên.
Với một quá trình công nghệ cho trước chúng ta có thể kết hợp phân tích “máy nhiệt” vào trong sơ đồ phân tích của kỹ thuật Pinch theo ba cách khác nhau như thể hiện trên hình 1.35
Cách kết hợp thứ nhất thể hiện trên hình 1.35a không thõa mãn kỹ thuật Pinch vì xảy ra quá trình truyền nhiệt từ Sink qua Suorce. Với cách kết hợp này, chúng ta có thể làm giảm lượng nhiệt cấp cho quá trình nhưng mặt khác lại tăng thêm lượng nhiệt cần lấy đi bỡi tác nhan làm nguội nên cách này không được áp dụng trong thực tế.
Cách kết hợp thứ hai thể hiện trên hình 1.35b thõa mãn nguyên tắc của kỹ thuật Pinch và còn làm lợi cho quá trình bằng một lượng công W mới sinh ra. Dòng phụ trợ có nhiệt độ cao sẽ được tận dụng để sinh công và phần nhiệt còn lại dùng cấp nhiệt cho quá trình, như vậy chúng ta vừa có thêm một lượng công W mà cũng có thể đảm bảo quá trình đun nóng đạt theo yêu cầu đề ra.
Cách kết hợp thứ ba thể hiện trên hình 1.35c, chúng ta lợi dụng lượng nhiệt còn lại của dòng công nghệ nóng đưa đi sinh công cung cấp cho quá trình và nhờ vậy giảm được tác nhân làm nguội sử dụng cho quá trình.
Trong ba cách kết hợp trên thì cách thứ hai thường được sử dụng nhiều nhất trong thực tể. Công cụ để ứng dụng kỹ thuật Pinch cho phân tích máy nhiệt trong quá trình công nghệ là giản đồ Grand của quá trình. Giản đồ Grand cung cấp cho chúng ta một cái nhìn đơn giản và nhận ra giới hạn của sự kết hợp này nhanh chóng giống như việc xác định nhiều tác nhân đun nóng khác nhau sử dụng cho quá trình. Dưới đây chúng ta ứng dụng kỹ thuật Pinch để phân tích tuabin hơi và khí trong quá trình công nghệ.
T C o T C D + W Q D D D H E W Q Q- W H E W Q Q- W H E W B - (Q - W) B B - Q Q- W (a) (b) (c) Chú thích:
Hình 1.35: Tích hợp máy nhiệt vào trong sơ đồ công nghệ D : Lượng nhiệt cần cung cấp thêm
B : Lượng nhiệt do tác nhân lạnh lấy đi W : Lượng công sinh ra do máy nhiệt HE : Máy nhiệt
Q : Lượng nhiệt cung cấp cho máy nhiệt
Trên hình 1.36a, chúng ta có thể nhận thấy rằng lượng nhiệt mà hơi cần cung cấp để đun nóng là:
Qh = D + B (KW) (1.8)
lượng công sinh mong muốn ra từ tuabin hơi là W như vậy nhiệt sinh ra tổng cộng tại lò hơi là:
Qlò hơi = D + B + W + Qloss (1.9)
Từ phương trình (1.9) với nhiệt trị thấp của nhiên liệu sẵn có ta có thể tính toán được lượng nhiên liệu cần thiết cấp cho lò hơi để sinh ra hơi có áp suất như yêu cầu. Lượng hơi nước sinh ra từ lò đốt có áp suất cao một phần sẽ được dùng để cấp cho quá trình một lượng nhiệt B, phần còn lại sẽ được đưa qua tuabin để tận dụng nhiệt sinh công cung cấp cho quá trình, hơi ra khỏi tuabin là hơi thấp áp LPS được dùng cấp cho quá trình một lượng nhiệt A.
Lượng nhiệt khói thải (hình 1.36b) từ tuabin khí cung cấp cho quá trình đun nóng là A1 và lượng nhiệt mất mát không tận dụng được là Qloss, công sinh ra là W1. Lượng nhiệt sinh ra từ nhiên liệu lúc này bằng:
Qtuabin = D + W + Qloss , KW. (1.10)
Lượng công W sinh ra được dùng để quay máy nén và các mục đích khác.
o
Q loss Nước T Nhiên liệu W A HPS LPS D P rocess P inch H
Hình 1.36a: Kết hợp tuabin hơi vào quá trình công nghệ bằng giản đồ Grand
Thiết bị trao đổi nhiệt Lò đốt Máy nén B T Nhiên liệu W tuabin T Process Pinch Tco r To Qc H Q lo ss D Hình 1.36b: Tích hợp1
Với Qloss : là lượng nhiệt mất mát
tuabin khí vào quá trình công nghệ
Tcor : Nhiệt độ ăn mòn của khí To : Nhiệt độ môi trường
1.6.2 Ứng dụng kỹ thuật Pinch phân tích bơm nhiệt
Bơm nhiệt (HP) là một thiết bị cho phép lấy nhiệt từ vùng có nhiệt độ thấp và cấp nhiệt cho vùng có nhiệt độ cao hơn. Lượng nhiệt mà bơm nhiệt (HP) cấp cho vùng có nhiệt độ cao Qbơm bằng lượng nhiệt mà nó nhận được từ vùng có nhiệt độ thấp Q cộng với năng lượng cung cấp từ bên ngoài vào W.
Qbơm = Q + W (1.11)
Bơm nhiệt cung cấp một lượng nhiệt hữu ích cho quá trình đun nóng các dòng công nghệ trong quá trình nên làm giảm lượng nhiệt cần cấp thêm cho quá trình. Tuy nhiên bơm nhiệt chỉ phát huy hiệu quả khi khoảng nhiệt cần nâng lên tương đối nhỏ.
Trên hình 1.37 dưới đây là các cách đặt bơm nhiệt vào trong quá trình để phân tích bằng kỹ thuật Pinch. D- (Q+W) D- W T Q+W T Q+W D Q HP W HP W Q+W Q B- Q (a) (b) B B+W HP W Q (c)
Hình 1.37: Đặt bơm nhiệt vào trong quá trình công nghệ để phân tích bằng kỹ thuật Pinch
Nếu chúng ta đặt bơm nhiệt ơ phía trên Pinch (hình 1.37b) thì lượng nhiệt cần cấp thêm cho quá trình giảm đi tương ứng với năng lượng W cung cấp cho bơm nhiệt tuy nhiên lượng nhiệt giảm này chỉ tương đương về mặt năng lượng chứ không tương về mặt chi phí vận hành, năng lượng cung cấp cho bơm nhiệt thường là điện năng mà điện thì đắt hơn hơi nước hay nhiên liệu đốt. Mặt khác, nếu đặt bơm