dụng chủ yếu là điều khiển bự nhiễu và điều khiển phản hồi. Điều khiển bự nhiễu dựng để điều chỉnh ỏp suất của thỏp. Điều khiển phản hồi dựng để điều khiển lưu lượng, nồng độ, nhiệt độ ...
1.4 Đỏnh giỏ chất lƣợng hệ thống điều khiển thỏp chƣng cất của nhà mỏy chế biến khớ chế biến khớ
1.4.1 Hệ thống điều khiển thỏp chƣng cất C-01
Thỏp C-01 là thỏp khử etan. Nhiệm vụ chớnh của thỏp C-01 là tỏch cỏc hydrocacbon nhẹ như metan, etan ra khỏi hỗn hợp khớ, đồng thời cung cấp cỏc khớ thương phẩm cho cỏc nhà mỏy điện, bước đầu ổn định khớ húa lỏng (PLG) để cho quỏ trỡnh xử lý tiếp theo.
Sau đõy ta khảo sỏt đỏnh giỏ sơ đồ điều khiển thỏp C-01. Đõy là thỏp điển hỡnh trong nhà mỏy. Đỏnh giỏ chất lượng hệ thống điều khiển thỏp này sẽ cho ta cỏi nhỡn tương đối tổng quỏt trong việc nõng cao chất lượng hệ thống điều khiển cỏc thỏp chưng cất khỏc. Hỡnh 1.6 mụ tả tổng quỏt sơ đồ hệ thống điều khiển thỏp chưng cất c-01. Chỉ tiờu chất lượng của hệ thống điều khiển C-01 được đỏnh giỏ thụng qua việc duy trỡ ổn định cỏc thành phần cỏc sản phẩm đỉnh và đỏy thỏp. Ngoài ra để đảm bảo năng suất , người ta đưa vào vũng điều khiển mức ở đỉnh và đỏy thỏp. Thỏp C-01 cú 2 dũng cấp liệu. Một dũng đi từ bỡnh ngưng C-05 đến ở phần đỉnh thỏp đúng vai trũ là dong hồi lưu. Một dũng cấp liệu đến từ đỏy thỏp
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
C04. Dũng đi vào đỉnh thỏp được duy trỡ ở nhiệt độ -23C, 95 lỏng với cỏc thành phần trong hỗn hợp như sau :
- C1 chiếm 22.3Mol - C2 chiếm 34,9Mol - C3 chiếm 24,5Mol - C4 chiếm 12,2Mol - C5 chiếm 6,1Mol Trọng lượng phõn tử là 36,8.
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
Đặc tớnh của dũng cấp liệu đưa vào giữa thỏp: nhiệt độ 80C, 28 lỏng - C1 chiếm 10Mol
- C2 chiếm 50Mol - C3 chiếm 18,3Mol - C4 chiếm 8,2Mol - C5 + chiếm 7,5Mol
Trọng lượng phõn tử: 41,8. Bằng việc duy trỡ nhiệt độ ổn định ở đỉnh và đỏy thỏp sản phẩm thu được sẽ cú độ tinh khiết cao hợn. Sản phẩm thu được ở đỉnh thỏp chủ yếu là khớ metan và etan. Thành phần C1+C2 chỉ chiến 1 Mol ở nhiệt độ 109o
C.
Hệ thống điều khiển thỏp phải đảm bảo duy trỡ độ tinh khiết của cỏc sản phẩm đỉnh và đỏy thỏp. Hay núi cỏch khỏc hệ thống điều khiển sẽ đảm bảo điều chỉnh và giữ ổn định nhiệt độ của thỏp là 109o
C. Trờn thực tế cỏc chỉ tiờu trờn đó được duy trỡ. Bằng việc điều khiển thỏp C-01 sử dụng điều khiển phản hồi đối với vũng điều khiển đỉnh và đỏy thỏp. Để đảm bảo năng suất người ta sử dụng hai mạch phản hồi ở đỉnh và đỏy thỏp để ổn định khối lượng khớ ở đỉnh và đỏy thỏp. Cỏc vũng điều khiển độc lập nhau, thường dựng cỏc bộ điều khiển kinh điển P, PI thụng dụng. Hệ thống điều khiển chưa chỳ ý đến tỏc động qua lại của cỏc vũng điều khiển.
1.5 Kết luận
Qua phõn tớch trờn ta thấy cỏc thỏp dựng trong nhà mỏy chủ yếu là cỏc thỏp hỡnh trụ nhiều đĩa. Hệ thống điều khiển cỏc thỏp sử dụng điều khiển phản hồi và điều khiển bự nhiễu. Cỏc bộ điều khiển dựng cỏc bộ P,PI kinh điển. Hệ thống điều khiển cỏc thỏp của nhà mỏy đó duy trỡ được cỏc chỉ tiờu chất lượng theo yờu cầu. Tuy nhiờn trong quỏ trỡnh vận hành, khi thay đổi dũng hồi lưu để duy trỡ giỏ trị đặt của sản phẩm đỉnh thỡ đồng thời nú cũng ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm đỏy thỏp, do đú làm ảnh hưởng đến chất lượng núi chung của nhà mỏy. Hay núi cỏch khỏc, cỏc thỏp sử dụng trong nhà mỏy là đối tượng đa biến, việc
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
thay đổi tham số ở đầu vào đều ảnh hưởng đến cỏc tham số khỏc tại đầu ra của thỏp. Cỏc hệ thống điều khiển đơn biến khụng đỏp ứng yờu cầu của cỏc hệ MIMO này.
Ngoài ra qua khảo sỏt và phõn tớch ở trờn cũng nhận thấy rằng chưng cất và cỏc thỏp chưng cất được dựng phổ biến trong cụng nghệ lọc hoỏ dầu và chế biến khớ tự nhiờn. Việc nghiờn cứu và hoàn thiện cỏc hệ thống điều khiển cỏc thỏp chưng cất là vấn đề hết sức quan trọng. Vỡ vậy luận văn sẽ chỳ trọng nghiờn cứu xõy dựng mụ hỡnh để mụ phỏng, khảo sỏt và đỏnh giỏ đặc tớnh của thỏp, qua đú đề xuất giải phỏp nõng cao chất lượng cỏc hệ thống điều khiển cỏc thỏp lọc dầu và húa lỏng khớ.
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
CHƢƠNG II: KHẢO SÁT ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THÁP CHƢNG CẤT LỌC DẦU VÀ HểA LỎNG KHÍ.
2.1 Đặt vấn đề.
Khảo sỏt cỏc đặc tớnh của thỏp chưng cất là vấn đề rất quan trọng để đưa ra sỏch lược điều khiển phự hợp nhằm nõng cao chất lượng hệ thống điều khiển cỏc thỏp chưng cất trong cụng nghiệp chế biến dầu và húa lỏng khớ.
Người ta tiến hành mụ hỡnh húa thỏp chưng cất để khảo sỏt cỏc đặc tớnh của thỏp. Việc lựa chọn mức độ chi tiết và chớnh xỏc trong mụ hỡnh húa phụ thuộc vào cỏc yếu tố như:
- Yờu cầu và mục đớch sử dụng cụ thể của mụ hỡnh. - Chi phớ mụ hỡnh húa.
- Độ tin cậy của thụng tin về đối tượng hay quỏ trỡnh.
Sau đõy ta sẽ đề cập đến cỏc cụng thức cơ bản liờn quan đến việc mụ hỡnh húa thỏp chưng cất.
2.2 Giới thiệu thỏp chƣng cất.
Chưng cất là phương phỏp phõn tỏch cơ bản, lõu đời nhất được sử dụng trong cụng nghiệp dầu mỏ và chế biến khớ tự nhiờn. Thỏp chưng cất cú thể được sử dụng để tỏch cỏc thành phần húa học riờng biệt khi cú sự khỏc biệt về nồng độ của cỏc thành phần trong pha lỏng và pha hơi.
Trong cụng nghiệp lọc húa dầu để chưng cất người ta thường dựng cỏc thiết bị chưng cất. Thiết bị chưng cất gồm thỏp chưng cất và bỡnh tỏch cựng cỏc thiết bị hỗ trợ như thiết bị làm lạnh, thiết bị ngưng tụ, lũ gia nhiệt,…
Thỏp chừng cất là thiết bị trung tõm trong phõn xưởng chưng cất. Hầu hết cỏc thỏp chưng cất dựng trong cụng nghệ lọc dầu là thỏp đĩa hỡnh trụ. Trong thỏp chưng cất cú nhiều đĩa lọc. Đĩa lọc là một cấu trỳc cơ khớ nằm ngang trong thỏp chưng cất cú tỏc dụng tạo điều kiện cho pha hơi bay lờn pha lỏng đi xuống tiếp xỳc với nhau một cỏch tốt nhất, đủ lõu để sự trao đổi giữa chỳng xảy ra hoàn hảo.
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hỡnh 2.1 : Sơ đồ tổng quỏt một thỏp chƣng cất
Đường kớnh của thỏp chưng cất phụ thuộc vào lưu lượng nguyờn liệu để chưng cất. Chiều cao của thỏp phụ thuộc vào số đĩa lọc. Khoảng cỏch giữa hai đĩa liờn tiếp nhau khoảng 0,25 - 0,8 m.
2.3 Cơ sở xõy dựng mụ hỡnh thỏp chƣng cất và đặc tớnh 2.3.1 Cỏc kiến thức cơ bản về chƣng cất 2.3.1 Cỏc kiến thức cơ bản về chƣng cất
2.3.1.1 Sơ đồ nguyờn lý một thỏp chƣng cất tổng quỏt
n, V yn n n-1 f 1 R y Vùng cất Vùng ch-ng VR LR VS LS L1,x1 xB B MB,hB QR VB Hồi l-u MD,hD xD Qc i Vùng cấp liệu Hỡnh 2.2. Sơ đồ thỏp chƣng cất.
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
Trờn sơ đồ cỏc ký hệu biểu thị ý nghĩa sau:
F - Lưu lượng dũng nạp liệu (kmol/ph)
zF – Thành phần nguyờn liệu trong dũng nạp (phần mol của hợp chất nhẹ) qF - Phần lỏng trong hỗn hợp nạp.
D – Lưu lượng dũng sản phẩm đỉnh (kmol/ph) B – Lưu lượng dũng sản phẩm đỏy (kmol/pt) Vựng cất: Từ đĩa nạp liệu lờn đến đỉnh thỏp Vựng chưng: Từ đĩa nạp liệu xuống đỏy thỏp Vựng nạp liệu: Vị trớ đĩa nạp
R – Lưu lượng dũng hồi lưu (kmol/ph) N - Số đĩa lý thuyết
i – Ký hiệu số thứ tự của đĩa
Ln và Vn - là tốc độ dũng mol toàn phần của pha lỏng và pha hơi tương ứng khi rời khỏi đĩa n.
xD - Thành phần (phần mol) sản phẩm đỉnh ( thành phần hợp chất nhẹ cú ở đỉnh thỏp)(%)
xB - Thành phần (phần mol) sản phẩm đỏy ( thành phần hợp chất nhẹ cú ở đỏy thỏp)(%)
xi, yi – Thành phần (phần mol) của pha lỏng và hơi trờn đĩa thứ i (thường dựng để chỉ thành phần hợp chất nhẹ, hợp chất dễ bay hơi, cú trong pha lỏng và hơi)
Gọi N là số đĩa của thỏp được tớnh từ đỏy thỏp lờn đỉnh thỏp. Dũng nạp liệu F được đưa vào ở đĩa NF (1<NF<N).
LR ký hiệu dũng hồi lưu ở đỉnh thỏp (kmol/ph); VS là dũng gia nhiệt ở đỏy thỏp (kmol/ph);
Mi là khối lượng chất lỏng đọng lại trờn đĩa thứ i;
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn ( Nhiễu) Giá trị đặt (92%) Nồng độ sản phẩm đỉnh Nồng độ sản phẩm đáy (1.5%) CC C C Đầu ra bộ điều khiển (47,5%) Giá trị đặt (1,5%) (213 kg/min) Hơi n-ớc khiển (51,4%) Đầu ra bộ điều (840 kg/min) Dòng phản hồi (547kg/min) Dòng vào
Hỡnh 2.3.Sơ đồ thỏp chƣng cất với cấu hỡnh điều khiển LV
Xột hỗn hợp 2 thành phần A và B cần được tỏch thành 2 dũng sản phẩm bằng cỏch dựng phương phỏp chưng cất truyền thống. Hỗn hợp được nạp vào dưới dạng chất lỏng tại đĩa nạp Nf với lưu lượng và F (kmol/ph) và phần mol của hỗn hợp nạp (của hợp chất A cú trong hỗn hợp nạp) là ZF. Phớa trờn đỉnh dũng hơi được làm lạnh và ngưng tụ hoàn toàn, sau đú nú được đưa vào bỡnh chứa hồi lưu. Việc làm lạnh hơi trờn đỉnh thỏp được thực hiện bằng nước lạnh. Chất lỏng từ bỡnh hồi lưu một phần được bơm trở lại vào thỏp (ở đĩa trờn cựng N) với lưu lượng R (dũng hồi lưu) một phần được lấy đi dưới dạng sản phẩm chưng cất ở đỉnh với lưu lượng là D.
Thỏp chứa N đĩa tớnh từ đỏy thỏp đến đỉnh thỏp. Gọi Mi là lượng chất lỏng đọng lại trờn đĩa thứ i. Để đơn giản trong việc mụ tả hệ thống, ta đưa ra cỏc giả thiết sau:
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
1. Lượng hơi dư trờn mỗi đĩa được bỏ qua.
2. Lượng mol nhiệt hoỏ hơi của cả hai thành phần A,B gần như nhau: Điều này cú nghĩa là 1 mol hơi ngưng tụ toả ra lượng nhiệt đủ để hoỏ hơi một mol chất lỏng.
3. Tổn thất nhiệt từ thỏp ra mụi trường xung quanh được bỏ qua.
4. Độ bay hơi tương đối của cả hai thành phần được xem là khụng đổi trong toàn bộ thỏp.
5. Mỗi đĩa được xem là cú hiệu suất 100% (cú nghĩa là lượng hơi bay ra khỏi đĩa bằng với chất lỏng ở trờn đĩa).
6. Bỏ qua động học của quỏ trỡnh ngưng tụ và gia nhiệt.
7. Bỏ qua sự cõn bằng động lượng đối với mỗi đĩa và giả thiết rằng lưu lượng mol chất lỏng lấy đi khỏi mỗi đĩa liờn quan với chất lỏng dư lại trờn đĩa.
2.3.1.2 Giỏ trị K
Ở trạng thỏi cõn bằng pha nồng độ thành phần phải được cõn bằng trong cả trong pha hơi và pha lỏng
y Pi x pi i0i (2.1)
Hệ số hoạtđộ ilà một yếu tố được sử dụng để tớnh toỏn cho hệ thực. Nếu nồng độ thành phần chất là khỏ giống nhau, thỡ giữa cỏc chất gần nhau sẽ cú ớt lực hỳt hoặc lực đẩy. Nếu hệ thống là lý tưởng và tuõn theo định luật Raoult thỡ
i
= 1.
Trong cụng nghiệp dầu mỏ, giỏ trị Ki được gọi là hằng số cõn bằng pha của hydrocacbon, nú đặc trưng cho sự phõn bố của cỏc chất giữa cỏc pha ở điều kiện cõn bằng, nú được xỏc định như tỉ lệ nồng độ thành phần hơi yi với nồng độ thành phần lỏng xi. i i i y K x (2.2)
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
2.3.1.3 Tớnh toỏn điểm bọt và điểm sƣơng 1. Tớnh toỏn điểm bọt
Điểm bọt là điều kiện mà tại đú hơi ngưng tụ hoàn toàn thành lỏng Nhiệt độ ở đỏy thỏp thỏa món phương trỡnh.
1 1 1 Nc Nc i i i i i K x y (2.3)
Áp suất điểm bọt: trong trường hợp này thỡ nhiệt độ và nồng độ thành phần pha lỏng đó biết. Áp suất tổng của hệ được tớnh như sau:
0 1 Nc i i i P x P (2.4)
Nồng độ thành phần pha hơi được tớnh: 0 i i i x P y P (2.5)
2. Tớnh toỏn điểm sƣơng
Trong tớnh toỏn điểm sương, chỳng ta phải biết nồng độ thành phần của pha hơi yi ở nhiệt độ T và ỏp suất P.
Điểm sương được định nghĩa là toàn bộ hệ ở trạng thỏi hơi, trường hợp này thành phần của hỗn hợp bằng thành phần pha hơi yi. Điều kiện để hệ hoàn toàn ở trạng thỏi hơi thỡ chỳng phải thỏa món phương trỡnh sau:
1 1 1 Nc Nc i i i i i y x K (2.6) Áp suất điểm sương được tớnh như sau:
0 1 1 Nc i i i y P P (2.7) Nồng độ thành phần pha lỏng được tớnh 0 i i i y P x P (2.8)
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
3. Tớnh toỏn điểm đẳng nhiệt flash
Cõn bằng tổng khối lượng vật chất. F=L+V (2.9)
Với F là dũng cấp liệu, L là dũng lỏng đỏy thỏp, V là dũng hơi đỉnh thỏp. Cõn bằng vật liệu với từng cấu tử.
i i i z F x L y V (2.10) Với 0 i i i x P y P
vậy suy ra ta cú phương trỡnh sau:
0 1 1 1 1 Nc i i i z P V F P (2.11)
Khi tớnh toỏn một đường flash nào thỡ ta phải xỏc định xem ỏp suất và nhiệt độ trong hỗn hợp dũng cấp liệu cú nằm trong vựng 2 pha khụng.
2.3.1.4 Hệ số bay hơi tƣơng đối.
Hệ số bay hơi tương đối được định nghĩa là một thước đo để đỏnh giỏ khả năng phõn tỏch của cỏc cấu tử trong cụng đoạn chưng.
Với hệ nhị phõn hỗn hợp khớ lý tưởng thỏa món định luật Raoult thỡ ta cú α biểu diễn bằng tỉ số giữa ỏp suất hơi của chất nhẹ và chất nặng như sau:
/ (1 ) / (1 ) L H y x p y x p (2.12)
Ở đõy P phụ thuộc vào nhiệt độ, cũn giỏ trị K sẽ thực sự khụng đổi chỉ khi ở gần đỉnh và đỏy thỏp, ở nhiệt độ là hằng số tương đối. Mặt khỏc, tỷ số PL PH
khụng phụ thuộc vào nhiệt độ nờn trong tớnh toỏn hệ số bay hơi tương đối, biểu thức này được dựng nhiều.
Trong hệ thống chưng cất nhiều thành phần, mối quan hệ giữa bất kỳ thành phần của pha hơi với nồng độ thành phần của pha lỏng với độ bay hơi tương đối được xỏc định:
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn 1 i i i Nc i i i x y x (2.13) 2.3.1.5 Phƣơng trỡnh cõn bằng dũng toàn phần
Phương trỡnh cõn bằng khối lượng vật chất và nồng độ cấu tử của thỏp: F=D+B (2.14)
F D B
Fz Dx Bx (2.15)
Những mối quan hệ này thỏa món ở điều kiờn xỏc lập. Khi ấy lưu lượng ở đỉnh và đỏy thỏp cú thể tớnh như hai cụng thức trờn nếu cỏc điều kiện về cấp liệu và thành phần sản phẩn được thiết lập.
( F B) / ( D B)
D F z x x x = VR – LR (2.16) B=F-D= LS – VS (2.17)
Trong trường hợp tổng quỏt, với những thỏp chưng cất cú m dũng cấp liệu