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