Chọn mô hình nhiệt động: Peng-Robinson:
Hình 2.1: Chọn mô hình nhiệt động
Nhập các cấu tử có trong bài toán:
Hình 2.2: Nhập các cấu tử
Nhập thành phần dòng nguyên liệu:
Hình 2.3: Thành phần, tính chất nguyên liệu
Ta tiến hành cài đặt các thiết bị trong phân xưởng cùng các thông số hoạt động của chúng.
Bơm P-2101:
Hình 2.4: Thiết lập bơm
Hình 2.5: Cài đặt thông số cho dòng ra khỏi bơm
Thiết bị trao đổi nhiệt Heat Exchanger 2101
Hình 2.6: Thiết lập thiết bị trao đổi nhiệt
2.3 Mô phỏng tháp tách C3/C4 ( T-2101)
Theo tài liệu thì số đĩa trong mỗi tháp phân tách là số đĩa thực tế mà để mô phỏng bằng phần mềm thì ta sử dụng số đĩa lý thuyết. Do đó ta cần xác định số đĩa lý thuyết từ số đĩa thực tế bằng phương pháp vòng lặp dựa vào hiệu suất sử dụng đĩa của tháp. Tiến hành như sau:
Bước 1: Dự đoán hiệu suất sử dụng đĩa của tháp dựa vào số liệu kinh nghiệm (từ 0,7 đến 0,9). Và suy ra số đĩa lý thuyết dùng để mô phỏng.
Bước 2: Mô phỏng tháp phân tách theo số đĩa lý thuyết vừa xác định.
Bước 3: Xác định lại hiệu suất sử dụng đĩa của tháp dựa vào giản đồ O’Connell và kết luận.
Hình 2.7: Giản đồ O’Connell
Ta tiến hành mô phỏng với số đĩa lý thuyết là : 26 và nạp liệu ở đĩa số 9 (ứng với hiệu suất dự đoán là 78,8 %).
Hiệu suất sử dụng đĩa của tháp được xác định như sau:
Hằng số K của Propane (cấu tử khóa nhẹ), i-Butane (cấu tử khóa nặng) được lấy từ quá trình mô phỏng.
Hình 2.8: Hằng số cân bằng K của cấu tử khóa trên mỗi đĩa.
Xác định hệ số A theo công thức sau:
µ : Độ nhớt pha lỏng trên mỗi đĩa, cP Ta sẽ xác định hiệu số sử dụng đĩa tại 3 vị trí:
- Đĩa trên đỉnh - Đĩa nạp liệu - Đĩa dưới đáy Ta có bảng kết quả như sau:
Bảng 2.1: Xác định hiệu suất sử dụng đĩa tháp T-2101
Độ nhớt (cP) Đĩa Cấu tử khóa nhẹ (Propane) Cấu tử khóa nặng (i-Butane) A Hiệu suất (%)
0,06 1 0,92 0,42 0,13 81
0,08 9 1,30 0,72 0,15 76
0,07 26 1,64 1,07 0,11 83
Hiệu suất trung bình (%) 80
Ta thấy rằng hiệu suất sử dụng đĩa trung bình tính toán được và dự đoán xấp xĩ nhau. Nên hiệu suất sử dụng đĩa đã dự đoán có thể hoàn toàn chấp nhận được.
Vậy số đĩa lý thuyết của tháp T-2101 là 26 (đĩa).
Tiến hành mô phỏng tháp với số đĩa lý thuyết đã được xác định:
• Các thông số sử dụng trong mô phỏng của tháp T-2101 Bảng 2.2: Bảng thông số mô phỏng của tháp T-2101
Số đĩa lý thuyết 26 Nạp liệu đĩa số 9 Áp suất đỉnh 20 kg/cm2_g Áp suất đáy 20,5 kg/cm2_g Áp suất Condenser (D-2102) 19,5 kg/cm2_g Dòng nạp liệu Feed to T-2101 Dòng sản phẩm đỉnh Feed to P-2102 Dòng sản phẩm đáy C4 Product
• Cài đặt thông số vận hành cho tháp:
Hình 2.9: Thông số vận hành của tháp T-2101
• Các tiêu chuẩn của tháp:
Hình 2.10: Tiêu chuẩn của tháp T-2101
Hình 2.11: Tháp T-2101 sau khi đã mô phỏng
• Cài đặt bơm P-2102:
Hình 2.12: Cài đặt bơm
• Chọn áp suất dòng ra khỏi bơm (Feed to T-2102) là 27,18 kg/cm2g
Hình 2.13: Thiết lập thông số cho dòng ra khỏi bơm
• Dòng sản phẩm đáy C4 Product được trao đổi nhiệt với dòng nguyên liệu vào tháp.
Hình 2.14: Thiết bị trao đổi nhiệt E-2101
2.4 Mô phỏng tháp tách Ethane T-2102
Tương tự tháp T-2101 ta cần xác định số đĩa lý thuyết dùng để mô phỏng cho tháp theo giản đồ O’Connell.Ta mô phỏng tháp với 55 đĩa lý thuyết (dự đoán) ứng với hiệu suất sử dụng đĩa là 83,3%. Tiếp đến ta xác định hiệu suất sử dụng đĩa của tháp ta có bảng kết quả sau:
Bảng 2.3: Xác định hiệu suất sử dụng đĩa tháp T-2102 Độ nhớt (cP) Đĩa Cấu tử khóa nhẹ (Ethane) Cấu tử khóa nặng (propylene) A Hiệu suất (%) 0,05 1 1,39 0,68 0,10 84 0,06 16 1,75 1,00 0,10 83 0,05 55 1,76 1,02 0,08 85
Hiệu suất trung bình (%) 84
Ta thấy rằng hiệu suất sử dụng đĩa trung bình tính toán được và dự đoán xấp xĩ nhau. Nên hiệu suất sử dụng đĩa đã dự đoán có thể hoàn toàn chấp nhận được. Vậy số đĩa lý thuyết dùng để mô phỏng cho tháp T-2102 là 55 đĩa.
Tiến hành mô phỏng tháp T-2102 với 55 đĩa lý thuyết:
• Các thông số sử dụng trong mô phỏng tháp T-2102 Bảng 2.4: Các thông số mô phỏng tháp T-2102
Số đĩa lý thuyết 55
Áp suất đáy 27,6 kg/cm2_g Áp suất Condenser (D-2102) 27 kg/cm2_g
Dòng nạp liệu Feed to T-2102
Dòng sản phẩm đỉnh 10
Dòng sản phẩm đáy 8
• Cài đặt thông số vận hành cho tháp:
Hình 2.15: Các thông số vận hành cho tháp T-2102
• Các tiêu chuẩn của tháp:
Hình 2.16: Tiêu chuẩn tháp T-2102
• Tháp sau khi đã được mô phỏng:
Hình 2.17: Tháp T-2102 sau khi mô phỏng
• Tiếp theo ta cài đặt một số thiết bị như: Thiết bị làm mát E-2109
Thiết bị trao đổi nhiệt E-2110 Van giảm áp VLV-100
2.5 Mô phỏng tháp tách Propane / Propylene T-2103
Tương tự tháp T-2101 và T-2102 ta cần xác định số đĩa lý thuyết dùng để mô phỏng cho tháp theo giản đồ Connell.Ta mô phỏng tháp với 165 đĩa lý thuyết (dự đoán) ứng với hiệu suất sử dụng đĩa là 86,8%. Tiếp đến ta xác định hiệu suất sử dụng đĩa của tháp ta có bảng kết quả sau:
Bảng 2.5: Xác định hiệu suất sử dụng đĩa T-2103 Độ nhớt
(cP) Đĩa Cấu tử khóa nhẹ (Propylene) Cấu tử khóa nặng (Propane) A Hiệu suất (%)
0,07 1 1,00 0,91 0,08 90
0,08 123 1,03 0,92 0,09 86
0,10 165 1,22 1,02 0,12 83
Hiệu suất trung bình (%) 86
Vậy số đĩa lý thuyết dùng để mô phỏng tháp T-2103 là 165 đĩa Tiến hành mô phỏng tháp T-2103 với 165 đĩa lý thuyết:
Trước khi mô phỏng ta thiết lập các dòng giả 20; 14 và dòng hồi lưu có thành phần và lưu lượng được lấy trong tài liệu. [3]
Bảng 2.6: Các thông số dòng giả của tháp T-2103
Dòng Thành phần Cấu tử (% kl)
14 Propylene 99,6 18,8 9 652
Propane 0,4
Hồi lưu Propylene 99,6 41,4 16,2 107
Propane 0,4
20 Propylene 99,6 18,95 9 6285
Propane 0,4
• Các thông số sử dụng trong mô phỏng tháp T-2103 là:
Bảng 2.7: Các thông số sử dụng để mô phỏng tháp T-2103 Số đĩa lý thuyết 165 Nạp liệu đĩa số 123 Áp suất đỉnh 9,000 kg/cm2_g Áp suất đáy 10 kg/cm2_g Dòng nạp liệu Feed to T-2103 Dòng sản phẩm đỉnh 13 Dòng hồi lưu đỉnh 20 Dòng sản phẩm đáy Propane • Các thông số vận hành của tháp:
Hình 2.18: Thiết lập thông số vận hành cho tháp T-2103
• Các tiêu chuẩn của tháp:
Hình 2.19: Thiết lập tiêu chuẩn cho tháp T-2103
Dòng khí đi ra ở đỉnh tháp được trộn với dòng Propylene đi làm tác nhân lạnh ở thiết bị trao đổi nhiệt E-2106 trở về, và dòng hồi lưu. Dòng hỗn hợp này được qua bình tách lỏng D-2104 trước khi đi vào máy nén C-2101.
•Cài đặt máy nén C-2101: Áp suất dòng khí ra khỏi máy nén là 17,1 (kg/cm2g)
•Dòng khí sau khi ra khỏi máy nén C-2101 có nhiệt độ cao được chia ra làm 2 dòng, dòng 16’ được đưa đi làm dòng cấp nhiệt cho đáy tháp T-2103 ở thiết bị gia nhiệt E-2111, dòng 17’ thì được đưa đến thiết bị ngưng tụ Propylene E-2112, tại đây Propylene được làm lạnh bằng nước. Sau đó hai dòng này sẽ nhập lại và đi đến bình tách D-2105.
• Bình tách D-2105
Hình 2.22: Bình tách D-2105
• Một số công cụ được sử dụng trong quá trình mô phỏng: Công cụ Recycle: Bảng 2.8: Công cụ Recycle Các công cụ Recycle được sử dụng Dòng vào Dòng ra
RCY-1 Vapor Hồi lưu
RCY-2 27 14
RCY-3 25 20
Thiết bị trộn và chia dòng :
Bảng 2.9: Các thiết bị trộn dòng
Tên Dòng vào Dòng ra
Mix 100 Hồi lưu 7
14 13 16 17
Bảng 2.10: Thiết bị chia dòng Tên Dòng vào Dòng ra 16’ 17’ PROPYLENE 22 20’ 24
Tỷ lệ chia dòng được tính toán theo số liệu lưu lượng dòng trong nhà máy. Sơ đồ sau khi mô phỏng xong: [phụ lục]
Hình 2.23: Sơ đồ tổng thể sau khi mô phỏng phân xưởng propylene
Sau khi hoàn thành quá trình mô phỏng ta tiến hành kiểm tra kiểm tra kết quả.
2.6 Kiểm tra và phân tích kết quả:
Tháp T-2101:
So sánh thành phần dòng sản phẩm đỉnh và dòng sản phẩm đáy của tháp T-2101 khi mô phỏng bằng phần mềm Unisim với kết quả trong tài liệu: [3]
Bảng 2.11: Bảng so sánh kết quả mô phỏng và tài liệu của tháp T-2101
Cấu tử Sản phẩm đỉnh Sai số Sản phẩm đáy Mô phỏng Tài liệu Mô phỏng Tài liệu
Propane 0,2169 0,2153 0,7562 0,00251 0,0032 0,2148 Propene 0,7259 0,7259 1E-06 0,00300 0,0025 0,1653 i-Butane 0,0184 0,022 0,1645 0,28606 0,2842 0,0065 n-Butane 0,0021 0,002 0,0697 0,11597 0,116 0,0002 i-Butene 0,0085 0,0072 0,1512 0,12819 0,1289 0,0055 1-Butene 0,0065 0,0062 0,0523 0,12397 0,1241 0,0011 Cis2-Butene 0,0014 0,0013 0,0944 0,13010 0,1301 8E-06
Tháp T-2102:
So sánh thành phần dòng sản phẩm đỉnh và dòng sản phẩm đáy của tháp T-2102 khi mô phỏng bằng phần mềm Unisim với kết quả trong tài liệu:
Bảng 2.12: So sánh kết quả mô phỏng và tài liệu của tháp T-2102
Cấu tử Sản phẩm đỉnh Sai số Sản phẩm đáy Mô phỏng Tài liệu Mô phỏng Tài liệu Ethane 0,5394 0,5409 0,0028 0,00006 0,0001 0,3779 Propane 0,0361 0,053 0,3188 0,22251 0,2204 0,0095 Propene 0,4150 0,4023 0,0306 0,73548 0,7365 0,0014 Tháp T-2103: So sánh thành phần dòng sản phẩm đỉnh và dòng sản phẩm đáy của tháp T-2103 khi mô phỏng bằng phần mềm Unisim với kết quả trong tài liệu: [3]
Bảng 2.13: So sánh kết quả mô phỏng và tài liệu của tháp T-2103
Cấu tử Sản phẩm đỉnh Sai số Sản phẩm đáy Mô
phỏng liệuTài phỏngMô liệuTài Sai số Propane 0,00387 0,0039 0,0083 0,7986 0,8004 0,0023 Propene 0,99604 0,996 4E-05 0,0467 0,0414 0,1133
Qua 3 bảng so sánh trên ta thấy thành phần các cấu tử trong sản phẩm của quá trình mô phỏng và trong tài liệu sai khác không đáng kể. Đặc biệt đối với dòng sản phẩm Propylene thì dường như không có gì sai khác. Điều này chứng tỏ rằng quá trình mô phỏng đã rất sát với thực tế (số liệu trong tài liệu). Có thể kết luận rằng quá trình mô phỏng đã đạt được hiệu quả cao và hoàn toàn chấp nhận được.
Tuy nhiên quá trình mô phỏng vẫn còn nhiều hạn chế :
Sơ đồ mô phỏng không hoàn toàn giống với thực tế, một số thiết bị đã được thay thế thành thiết bị khác trong quá trình mô phỏng như:
- Đối với tháp T-2101 thiết bị trao đổi nhiệt ở đáy tháp được thay thế bằng thiết bị đun sôi lại kiểu Kettle, không sử dụng nước để làm lạnh ngưng tụ đỉnh tháp. - Tương tự đối với tháp T-2102 thiết bị trao đổi nhiệt ở đáy cũng được thay thế
bằng thiết bị đun sôi lại kiểu Kettle, thiết bị trao đổi nhiệt ở đỉnh cũng bị thay thế - Đối với tháp T-2103 thì nhiều thiết bị trao đổi nhiệt được thay thế bằng thiết bị
làm lạnh, gia nhiệt hay kết hợp cả 2 thiết bị làm lạnh và gia nhiệt.
- Bình tách D-2101 đã được bỏ đi bởi vì theo tài liệu thì dòng nguyên liệu vào bình tách và dòng sản phẩm ra khỏi bình tách có thành phần hoàn toàn giống nhau.
CHƯƠNG 3:
XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG THÁP TÁCH C3 / C4
3.1 Tổng quan về hệ thống điều khiển
Điều khiển tự động có thể được phân thành hai loại chính là điều khiển có khả năng đóng hoặc mở (discrete control) và điều khiển quá trình (process control).
3.1.1 Nguyên tắc điều khiển
Điều khiển đóng mở
Điều khiển đóng mở là hệ thống điều khiển tự động thường được sử dụng cho các nhà máy lắp ráp. Trong ngành công nghiệp hoá học nói chung cũng như trong ngành công nghệ lọc dầu và chế biến khí nói riêng, điều khiển đóng mở tuy không phổ biến nhưng cũng là không thể thiếu và đóng vai trò quan trọng, đặc biệt trong các ứng dụng start up, shutdown, an toàn nhà máy.
Những đầu vào, đầu ra của loại điều khiển này chỉ ở một trong hai trạng thái đóng hay mở (on hay off). Phương pháp điều khiển của loại này là logic, với cổng OR, AND, NAND vv....Cách đây 40 năm bộ điều khiển của loại này là một hệ thống rơle và rơle thời gian đặt trong tụ bảng. Với sự phát triển của ngành điện tử, bộ điều khiển có khả năng lập trình PLC (Programmable Logic Control) ra đời làm cho hệ thống rơle trở nên lỗi thời.
Điều khiển quá trình
Trong các nhà máy lọc dầu, hoá dầu, chế biến khí, người ta sử dụng chủ yếu loại điều khiển này. Quá trình sản xuất là liên tục, các thông số điều khiển bao gồm nhiệt độ, áp suất, mức chất lỏng, lưu lượng, độ pH, nồng độ.
Thiết bị đầu vào thường là từ các bộ chuyển đổi tín hiệu cho ra tín hiệu tương tự dạng chuẩn như 4-20 mA hoặc 3-15 psig. Thiết bị đầu ra thông thường là các van điều khiển. Phương pháp điều khiển thường là thuật toán điều khiển tỉ lệ (Proportional), tích phân (Integral) và vi phân (Differential) viết tắt là PID.
3.1.2 Hệ thống điều khiển phân tán DCS trong nhà máy hiện đại
Do đặt thù có nhiều phân xưởng nằm phân tán trong một diện tích lớn và có rất nhiều đầu vào và đầu ra ứng với từng phân xưởng nên hầu hết các nhà máy lọc dầu hiện nay đều sử dụng hệ thống điều khiển phân tán DCS (Distributed Control System).
Hệ thống được cấu thành bởi nhiều hệ thống nhỏ hơn nằm phân tán ở mỗi phân xưởng, mỗi hệ thống nhỏ này có nhiệm vụ đảm bảo quá trình điều khiển ở phân xưởng mà nó đảm nhiệm, nó chịu sự quản lý của các hệ thống chủ bên trên, có thể nhận hoặc cung cấp tín hiệu với các hệ thống chủ. Bản thân các hệ thống phân tán này sẽ quản lý trực tiếp các thiết bị tại hiện trường như van, cảm biến, mô tơ...
Tập hợp tất cả các dữ liệu từ các hệ thống phân tán ở từng phân xưởng sẽ được gởi lên các hệ thống cấp cao hơn, các hệ thống này thường được tập trung ở phòng điều khiển trung tâm của nhà máy, nơi mà các kỹ sư vận hành và nhà quản lý trực tiếp đưa ra những quyết định về chế độ hoạt động của nhà máy.
Ra đời từ giữa những năm 70, hệ thống điều khiển phân tán DCS đã mang đến một cuộc cách mạng thực sự cho phòng điều khiển trung tâm của các nhà máy lọc dầu bằng cách số hoá những vòng điều khiển và biểu diễn thông tin của quá trình lên màn hình điều khiển.
Hình 3.1: Mô hình hệ thống điều khiển DCS
Ưu điểm của DCS
− Đảm bảo an toàn cao trong quá trình hoạt động.
− Lưu trữ các thông tin trong quá trình hoạt động phục vụ cho công tác thống kê, nghiên cứu, hoạch định chiến lược.
− Các module tính toán cho phép triển khai các chiến lược điều khiển nhằm mục đích tối ưu hiệu quả công nghệ và hiệu quả kinh tế.
− Giao diện thân thiện với người vận hành bằng ngôn ngữ và hình ảnh...
3.1.3 Bộ điều khiển PID
- Vai trò của bộ điều khiển PID
Tên gọi PID là chữ viết tắt của ba thành phần gồm khâu khuyếch đại P (Proportional), khâu tích phân I (Integral) và khâu vi phân D (Differential).
Sơ đồ hoạt động của khâu PID như sau: