6.2.1 Cụm nén khí CO2:
Hình 6- : Cụm nén khí CO2
Trong đó:
Khí CO2 nguyên liệu được nén đến 157 barg trước khi vào tháp tổng hợp urea. Quá trình nén khí kèm theo làm lạnh ngưng tụ và tách nước để nâng cao công suất máy nén và tránh lỏng vào làm hỏng máy nén.
Trước hết ta nhập thông số cho dòng CO2 nguyên liệu:
Sauk hi ra khỏi cụm máy nén 20-K-1001, khí CO2 nguyên liệu đạt áp suất 157 barg, nhiệt độ khoảng 120 0C, đảm bảo thông số công nghệ trước khi vào thiết bị tổng hợp Urea.
6.2.2 Thiết bị tổng hợp Urea:
Nguyên liệu gồm CO2 từ cụm nén khí, NH3 fresh từ phân xưởng Ammonia và dòng cacbonate solution tuần hoàn từ quá trình thu hồi NH3, CO2 từ các dòng Off gas. Ta nhập thông số cho từng dòng.
Dòng NH3 fresh:
Phản ứng xảy ra trong tháp R-1001:
Phản ứng tạo Ammonium Carbamate xảy ra nhanh và hoàn toàn, phản ứng phân hủy tạo Urea xảy ra chậm, không hoàn toàn và quyết định vận tốc phản ứng. Hiệu suất phản ứng được tính toán chính xác nhờ vào phần mền Excell:
- Phản ứng tạo ammonium carbamate:
- Phản ứng phân hủy ammonium carbamate thành urea:
Quá trình mô phỏng có tạo thành Ammonium carbamate, nên thành phần CO2, NH3 không đúng với số liệu trong PFD nhà máy, tuy nhiên lưu lượng Urea tương đối chính xác so với thực tế. Hiệu suất phản ứng phân hủy Ammonium carbamate là 0.63 đúng với thực tế sản xuất của nhà máy. Sản phẩm urea sau khi ra khỏi thiết bị tổng hợp urea có lưu lượng 99139 kg/h, trong khi đó thực tế là 99292 kg/h, tức chênh lệch thấp hơn thực tế là 153 kg/h.
6.2.3 Stripper urea E-1001:
Trong thực tế thiết bị Stripper urea là thiết bị trao đổi nhiệt dạng màng, do đó các dòng lỏng và khí phân hủy và bay hơi khi tiếp xúc ngược dòng, tác nhân nóng được sử dụng ở đây là hơi nước trung áp 22,8 barg, 219 0C.
Quá trình Stripper urea có xảy ra phản ứng phân hủy urea thành CO2, NH3, nên để mô phỏng thiết bị stripper, ta sử dụng công cụ Reactors\RGibbs kết hợp bình tách flash.
Phản ứng phân hủy urea bản chất là phản ứng tạo CO2, NH3 từ ammonium carbamate:
NH2-COO-NH4 ↔ 2NH3 + CO2 - Q.
Phản ứng xảy ra mạnh khi giảm áp hoặc tăng nhiệt. Trong thiết bị phân hủy cao áp, gần như toàn bộ lượng ammonium carbamate phân hủy thành CO2, NH3, lương còn lại sẽ được phân hủy tiếp trong cụm tinh chế urea và thu hồi CO2, NH3 trung áp và thấp áp.
6.2.4 Phân hủy trung áp E-1002A/B:
Dung dịch từ E-1001, được giãn nở tới áp suất 20.5 barg rồi đi vào phần trên của thiết bị phân hủy trung áp. Thiết bị này chia làm 3 phần:
- Bình tách đỉnh V-1002
- Thiết bị phân hủy E-1002A/B, ở đây ammonium carbamate phân hủy nhờ hơi ngưng tụ 4.9 barg.
- Bình chứa dung dịch urea Z-1002, bình này tập trung dung dịch urea đã làm sạch có nồng độ 60-63% khối lượng.
Trong mô phỏng ta sử dụng công cụ Reactors\RGibbs kết hợp bình tách flash. Quá trình phân hủy trung áp xảy ra ở 145 0C, áp suất 20.5 barg. Dòng urea solution được gia nhiệt trong E-1002A/B bởi tác nhân nóng là hơi nước thấp áp 5.barrg, nhiệt độ 158 0C và nước ngưng từ thiết bị Stripper cao áp.
6.2.5 Phân hủy thấp áp E-1003:
Dung dịch từ Z-1002, được giãn nở tới áp suất 5 barg rồi đi vào phần trên của thiết bị phân hủy thấp áp. Thiết bị này chia làm 3 phần:
- Bình tách đỉnh V-1003
- Thiết bị phân hủy E-1003, ở đây ammonium carbamate phân hủy nhờ hơi ngưng tụ 4.9 barg.
- Bình chứa dung dịch urea Z-1003, bình này tập trung dung dịch urea đã làm sạch có nồng độ 69-71% khối lượng.
Trong mô phỏng ta sử dụng công cụ Reactors\RGibbs kết hợp bình tách flash. Xảy ra ở 130 0C, 5barg. Dòng Urea solution được gia nhiệt trong E-1003 bởi bởi tác nhân nóng là hơi nước thấp áp 5.barrg, nhiệt độ 158 0C.
Quá trình mô phỏng mô tả được quy trình công nghệ của nhà máy, đầu ra của urea đạt yêu cầu, với lưu lượng 99135 kg/h, so với 99292 kg/h thực tế sản xuất. Quá trình tinh chế urea đảm bảo độ tinh khiết của urea là 0.71 %.
6.3 Thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt cho 20-E-1002A của cụm phân hủy trung áp:6.3.1 Tổng quan: 6.3.1 Tổng quan:
Truyền nhiệt là quá trình quan trọng trong bất cứ nhà máy hóa chất nào, từ đun nóng, làm nguội, bay hơi, ngưng tụ. Thiết bị trao đổi nhiệt được dùng để truyền nhiệt năng giữa hai hoặc nhiều hơn các dòng lỏng, các dòng khí ở các nhiệt độ khác nhau. Các loại thiết bị trao đổi nhiệt thường sử dụng:
6.3.2 Ứng dụng phần mền Aspen Plus để tính toán thiết bị trao đổi nhiệt 20-E-1002A cho cụm phân hủy trung áp: 1002A cho cụm phân hủy trung áp:
Để tính toán thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt trên phần mền Aspen Plus ta tiến hành các bước sau:
- Mô phỏng cô lập thiết bị trao đổi nhiệt 20-E-1002A:
Từ Menu nhấn vào Heat Exchangers\HeatX, sau đó ta điền thông số cho các dòng. Dòng Urea solution:
Nhấn vào biểu tượng Block trên thanh công cụ, từ mục Specifications chọn Detailed, ta nhập các thông số cơ bản: Exchanger Duty là 10.53 KW, Exchanger Area là 1069 sqm (theo số liệu từ PFD của nhà máy).
Chọn tiếp vào mục Geometry, xuất hiện bảng sau:
Ta nhập các thông số cho vỏ như: loại vỏ, số pass, bố trí vỏ, đường kính vỏ,… Riêng đường kính vỏ tham khảo số liệu thực tế.
Số ống ta có thể tính toán nhờ vào diện tích bề mặt truyền nhiệt:
Ta chọn cách bố trí ống, kích cỡ ống. Việc chọn này dựa vào tính toán ở bảng trên và sao cho kết quả cuối cùng gần đúng với thực tế.
Xem kết quả thiết kế và đối chiếu với thực tế:
BLOCK: E-1002A MODEL: HEATX ---
HOT SIDE: ---
INLET STREAM: UREA-SOL OUTLET STREAM: COLD
PROPERTY OPTION SET: SRK SOAVE-REDLICH-KWONG EQUATION OF STATE COLD SIDE:
---
INLET STREAM: WATER OUTLET STREAM: HOT
PROPERTY OPTION SET: SRK SOAVE-REDLICH-KWONG EQUATION OF STATE *** MASS AND ENERGY BALANCE ***
IN OUT RELATIVE DIFF. TOTAL BALANCE
MOLE(KMOL/HR ) 9480.17 9480.17 0.00000 MASS(KG/HR ) 246483. 246483. 0.00000 ENTHALPY(GCAL/HR ) -451.375 -451.375 0.00000 *** INPUT DATA ***
FLASH SPECS FOR HOT SIDE: TWO PHASE FLASH
MAXIMUM NO. ITERATIONS 30
CONVERGENCE TOLERANCE 0.000100000 FLASH SPECS FOR COLD SIDE:
TWO PHASE FLASH
MAXIMUM NO. ITERATIONS 30
FLOW DIRECTION AND SPECIFICATION: COUNTERCURRENT HEAT EXCHANGER SPECIFIED EXCHANGER DUTY
SPECIFIED VALUE GCAL/HR 9.0543 MAXIMUM NO. ITERATIONS 20 PRESSURE SPECIFICATION:
HOT SIDE PRESSURE SCALE FACTOR 1.0000 HOT SIDE MAX FRACTIONAL DP 0.4000 COLD SIDE PRESSURE SCALE FACTOR 1.0000 COLD SIDE MAX FRACTIONAL DP 0.4000 HEAT TRANSFER COEFFICIENT SPECIFICATION:
HEAT TRANS. COEFF. SCALE FACTOR 1.0000 COLD SIDE FILM COEFFICIENT SPECIFICATION:
FILM COEFFICIENT SCALE FACTOR 1.0000 FOULING FACTOR SEC-SQCM-K/CAL 0.000 HOT SIDE FILM COEFFICIENT SPECIFICATION:
FILM COEFFICIENT KCAL/HR-SQM-K 394.1661
EQUIPMENT SPECIFICATIONS:
NUMBER OF SHELL PASSES 1 NUMBER OF TUBE PASSES 1 TEMA SHELL TYPE E
ORIENTATION VERTICAL
BAFFLE TYPE SEGMENTAL TUBE FLOW DIRECTION UP
SHELL INSIDE DIAMETER METER 2.0400 SHELL TO BUNDLE CLEARANCE METER 0.0800 NUMBER OF SHELLS IN SERIES 1 NUMBER OF SHELLS IN PARALLEL 1 SPECIFICATIONS FOR TUBES:
TOTAL NUMBER OF TUBES 1780
TUBE TYPE BARE TUBE PATTERN TRIANGLE
TUBE MATERIAL CARBON-STEEL TUBE LENGTH METER 5.7900
TUBE NOMINAL SIZE INCHES 1-1/4 TUBE BWG 13
TUBE INSIDE DIAMETER METER 0.0269 TUBE OUTSIDE DIAMETER METER 0.0318 TUBE PITCH METER 0.0418 TUBE THERMAL CONDUCTIVITY KCAL-M/HR-SQM-K 41.4247 SPECIFICATIONS FOR SEGMENTAL BAFFLE SHELL:
NUMBER OF BAFFLES 5 NUMBER OF SEALING STRIP PAIRS 0 TUBES IN WINDOW YES BAFFLE CUT 0.2500 SHELL TO BAFFLE CLEARANCE METER 0.0095 TUBE TO BAFFLE CLEARANCE METER 0.0004
INLET BAFFLE SPACING METER 0.9650 OUTLET BAFFLE SPACING METER 0.9650 SPECIFICATIONS FOR NOZZLES:
SHELL INLET NOZZLE DIAMETER METER 0.2000 SHELL OUTLET NOZZLE DIAMETER METER 0.2000 TUBE INLET NOZZLE DIAMETER METER 0.2000 TUBE OUTLET NOZZLE DIAMETER METER 0.2000 *** OVERALL RESULTS ***
STREAMS:
--- | |
UREA-SOL --->| HOT (TUBE) |---> COLD T= 2.0400D+02 | | T= 1.7367D+02 P= 1.4800D+02 | | P= 1.4758D+02 V= 1.2592D-01 | | V= 0.0000D+00 | |
HOT <---| COLD (SHELL) |<--- WATER T= 1.5840D+02 | | T= 1.5800D+02 P= 5.8316D+00 | | P= 5.9000D+00 V= 9.9069D-01 | | V=
0.0000D+00
--- DUTY AND AREA:
CALCULATED HEAT DUTY GCAL/HR 9.0543 CALCULATED (REQUIRED) AREA SQM 1070.3964
ACTUAL EXCHANGER AREA SQM 1070.3964
PER CENT OVER-DESIGN 0.0000
HEAT TRANSFER COEFFICIENT:
AVERAGE COEFFICIENT (DIRTY) KCAL/HR-SQM-K 308.5711 AVERAGE COEFFICIENT (CLEAN) KCAL/HR-SQM-K 308.5711 UA (DIRTY) CAL/SEC-K 91748.1528 LOG-MEAN TEMPERATURE DIFFERENCE:
NUMBER OF TRANSFER UNITS (NTU) 1.1065 LMTD CORRECTION FACTOR 1.0000
LMTD (CORRECTED) C 27.4125
NUMBER OF SHELLS IN SERIES 1 NUMBER OF SHELLS IN PARALLEL 1 STREAM VELOCITIES:
SHELLSIDE MAX. CROSSFLOW VEL. M/SEC 0.8436 SHELLSIDE MAX. CROSSFLOW REYNOLDS NO. 1802.7285 SHELLSIDE MAX. WINDOW VEL. M/SEC 1.3367 SHELLSIDE MAX. WINDOW REYNOLDS NO. 2856.4839 PRESSURE DROP:
SHELLSIDE, BAFFLED FLOW AREA BAR 0.0050 SHELLSIDE, NOZZLE BAR 0.0634 SHELLSIDE, TOTAL BAR 0.0683
TUBESIDE, NOZZLE BAR 0.0432 TUBESIDE, TOTAL BAR 0.4183 PRESSURE DROP PARAMETER:
SHELL SIDE: 1635.7495 TUBE SIDE: 4425.2673 *** ZONE RESULTS ***
TEMPERATURE LEAVING EACH ZONE:
HOT (TUBE)
--- | | |
UREA-SOL| COND | COND | COLD ---> | | |---> 204.0 | 173.7| | 173.7 | | |
HOT | BOIL | LIQ | WATER <--- | | |<--- 158.4 | 158.8| | 158.0 | | |
--- COLD (SHELL)
ZONE HEAT TRANSFER AND AREA:
ZONE HEAT DUTY AREA DTLM AVERAGE U UA
GCAL/HR SQM C KCAL/HR-SQM-K CAL/SEC-K 1 9.038 1064.7535 27.4512 309.2204 91456.5147 2 0.016 5.6429 15.2857 186.0552 291.6382
Chương 7
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN,
XÂY DỰNG SƠ ĐỒ ĐIỀU KHIỂN CHO CỤM PHÂN HỦY TRUNG ÁP
7.1 Tổng quan hệ thống điều khiển:
Các dụng cụ đo lường là cần thiết cho các nhà máy công nghiệp hiện đại hoặt động an toàn và chính xác. Chúng được sử dụng để điều khiển quá trình nhằm đạt được các chỉ tiêu kỹ thuật của sản phẩm cũng như để tạm ngừng hoặt động của nhà máy khi có sự cố xảy ra. Để duy trì cho nhà máy hoặt động an toàn, đồi hỏi hệ thống điều khiển phải:
- Giữ cho các biến vận hành nằm trong giới hạn vận hành an toàn - Phát hiện các nguy cơ xảy ra nguy hiểm khi chúng xuất hiện - Cung cấp các cảnh báo hoặt dừng hệ thống khi cần.
Về cơ bản có hai loại hệ thống điều khiển chính:
- Hệ thống hở: Là hệ thống điều khiển đơn giản nhất, không có thông tin phản hồi đến bộ phận điều khiển để xác định hoặc hiệu chỉnh tín hiệu ngõ ra, không có khả năng bù trừ các tác động do nhiễu gây ra.
Hình 7- : Sơ đồ hệ thống hở
- Hệ thống kín: Với hệ thống kín sẽ làm mất hoặc giảm bớt tín hiệu nhiễu bằng cách đo ảnh hưởng của nhiễu trên tín hiệu ra của hệ thống (thông tin phản hồi), từ đó tính toán các tác động hiệu chỉnh cần thiết nhằm làm mất hoặc giảm bớt tín hiệu ngõ ra luôn ổn định như mong muốn.
Hình 7- : Sơ đồ hệ thống kín
7.2 Các bước điều khiển:
Để điều khiển quá trình chúng ta phải: - Thu thập thông tin về quá trình.
- So sánh thông tin đó với kết quả mong muốn hay điểm thiết lập (Set point). - Hiệu chỉnh quá trình một lượng cần thiết để đạt và duy trì ở Set point. Ví dụ:
Hình 7- : Ví dụ về các bước điều khiển
Trong qua trình này, thông tin được thu thập là: vận chuyển vật liệu vào bồn D. Biến được đo lường là: áp suất bên trong bồn D được tạo ra bởi việc vận chuyển vật liệu vào bồn D. Kết quả mong muốn là: duy trì một áp suất cụ thể (Set point) bên trong bồn D khi vật liệu được lấy ra từ cửa E. Các hiệu chỉnh cần thiết là: Hiệu chỉnh lưu lượng vật liệu vào từ bơm A bằng cách thay đổi độ mở của van C.
7.3 Các vòng điều khiển:
Các bước cơ bản: thu thập thông tin – so sánh với Set point – hiệu chỉnh, tạo thành một vòng điều khiển.
Hình 7- : Sơ đồ vòng điều khiển
Trong một vòng điều khiển:
- Phần tử cảm biến: thu thập thông tin về biến cần theo dõi và gửi đến bộ điều khiển.
- Bộ điều khiển: so sánh thông tin vừa thu thập được với giá trị mong muốn Set point và gửi tín hiệu điều khiển đến phần tử điều khiển.
- Phần tử điều khiển: thực hiện các hiệu chỉnh cần thiết để điều chỉnh biến đạt đến Set point.
7.4 Các loại tín hiệu:
Các tín hiệu có thể chia ra làm 3 dạng khác nhau:
- Dạng nhị phân (Binary): Chỉ có hai giá trị, on và off.
- Dạng tương tụ (Analog): Cho dải các giá trị liên tục không bị gián đoạn. - Dạng số (Digital): Một chuỗi các xung.
Nếu một dụng cụ đo không thể nhận tín hiệu vào từ một bộ chuyển tải (Transmiter), tín hiệu có thể được chuyển đổi thành dạng phù hợp bằng một bộ chuyển đổi (Transducer).
P/I Transducer: Chuyển đổi tín hiệu khí nén (P) thành tín hiệu điện tương tự (I).
I/P Transducer: Chuyển đổi tín hiệu điện tương tự (I) thành tín hiệu khí nén (P).
A/D Transducer: Chuyển đổi tín hiệu tương tự (I) thành tín hiệu số (D).
D/A Transducer: Chuyển đổi tín hiệu số (D) thành tín hiệu điện tương tự (I).
Hình 7- : Các loại tín hiệu
7.5 Các phần tử cơ bản của hệ thống điều khiển:
7.5.1 Cảm biến (Sensor): Thu thập thông tin của một biến, theo dõi hoặc đo một thông số nào đó của quá trình. Các bộ phận của cảm biến bao gồm:
Hình 7- : Sơ đồ cấu tạo của một cảm biến
- Primary element: thiết bị cơ học phản ứng với thông số cần đo.
- Transducer element: thành phần nhạy cảm với primary element, nó biên dịch các phản ứng của primary element thành các đại lượng cấu thành tín hiệu ra. - Electronic conditioning module: cung cấp điện năng, khuếch đại tín hiệu.
7.5.2 Bộ truyền (Transmitter): Chuyển các thông tin thu thập được từ cảm biến tới bộ điều khiển. Hai loại transmitter chủ yếu là điện tử và khí nén.
- Bộ truyền tương tự khí động (Pneumatic Analog Transmission): tín hiệu truyền từ 0.2 đến 1 bar (3 ÷ 15 psi). Với năng lượng cung cấp là dòng khí có áp suất 1.4 bar (20 psi).
- Bộ truyền tín hiệu điện tương tự (Electric Analog Transmission): tín hiệu