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 truyền từ 4 đến 20 mA.
7.5.3 Bộ điều khiển: So sánh giá trị biến đo được với Set point. Bất kỳ sự sai khác nào cũng được coi là độ lệch: ∆ = SP – PV.
Trong đó: SP: Set Point, PV: process variable.
Nếu ∆=0, biến đang ở SP (giá trị mong muốn) không cần có sự hiệu chỉnh nào. Nếu ∆≠0, bộ điều khiển gửi tín hiệu đến phần tử điều khiển cuối (Van) để ra lệnh cho nó hiệu chính PV theo hướng sao cho giảm độ lệch giữu SP và PV.
7.5.4 Phần tử điều khiển cuối (Van): Nhận thông tin lệnh từ bộ điều khiển trong trường hợp ∆≠0, lúc này nó sẽ tăng hoặc giảm độ mở để giảm tối đa độ lệch giữa SP và PV. Phần tử điều khiển cuối tiêu biểu thường có hai phần chính:
- Một actuator chuyển đổi tín hiệu thành một tác động. - Một thiết bị thực hiện tác đông đó.
Hình 7- : Phần tử điều khiển cuối
Ví dụ: Một van điều khiển bằng khí nén thì màng ngăn khí nén đóng vai trò là actuator, van là thiết bị thực hiện tác động đến lưu chất.
7.6 Xây dựng sơ đồ điều khiển cho cụm phân hủy trung áp:
Quá trình phân hủy xả ra ngược chiều với phản ứng tạo urea:
NH2-COO-NH4 ↔ 2NH2-CO-NH2 + CO2 – Q
Phản ứng xảy ra mạnh khi giảm áp, tăng nhiệt. Quá trình phân hủy xảy ra trong cụm phân hủy trung áp được tiến hành ở áp suất 19.5 barg, nhiệt độ 144 ÷ 165 0C. Thiết bị phân hủy được cung cấp nhờ dòng hơi 4.9 barg, nhiệt độ 158 0C ở phần trên và nước ngưng 219 0C ở phần dưới.
- Cụm 1109: thiết bị đo và điều khiển là LIT, LIC, LV, điều khiển mức chất lỏng trong bình chứa 20-V-1028.
- Cụm 1128: thiết bị đo và điều khiển là FE, FT, FIC, FV, điều khiển lưu lượng hơi nước trung áp bổ sung đi vào 20-E-1002B.
- Cụm 1021: thiết bị đo và điều khiển là TT, TIC, TV, điều khiển dòng hơi nước trung áp đi vào 20-E-1002A.
- Cụm 1014: thiết bị đo và điều khiển là LT, LIC, LV, điều khiển lượng sản phẩm của cụm phân hủy trung áp thông qua mức chất lỏng trong 20-Z-1002. - Cụm 1026: thiết bị đo và điều khiển là TT, TIC, TV, điều khiển nhiệt độ của
dòng cacbonate solution sau khi qua thiets bị làm lạnh 20-E-1006.
- Cụm 1005: thiết bị đo và điều khiển là FE, FT, FIC, FV, điều khiển lưu lượng tuần hoàn từ sản phẩm đáy của tháp hấp thụ 20-T-1001.
- Cụm 1010: thiết bị đo và điều khiển là FE, FT, FIC, FV, điều khiển lưu lượng tuần hoàn từ thiết bị nhưng tụ 20-V-1005.
- Cụm 1026: thiết bị đo và điều khiển là PT, PIC, PV, điều khiển lượng sản phẩm đỉnh của tháp 20-T-1003 thông qua áp suất trong bình ngưng tụ 20-V- 1005.
- Cụm 1016: thiết bị đo và điều khiển là LT, LIC, LV, điều khiển lượng Amonia thông qua mức chứa trong bình 20-V-1005.
- Cụm 1017: thiết bị đo và điều khiển là LT, LIC, LV, điều khiển lượng sản phẩm đáy của tháp 20-T-1003 thông qua mức ở đáy của tháp.
- Cụm 1012: thiết bị đo và điều khiển là FE, FT, FIC, FV, điều khiển lưu lượng condensate vào tháp 20-T-1003.
KẾT LUẬN
Sau hơn ba tháng kể từ ngày nhận đề tài tốt nghiệp “Tìm hiểu về công nghệ nhà máy Đạm Phú Mỹ và mô phỏng hoạt động của phân xưởng Ammonia và Urea trong nhà máy”. Đồ án của em đã giải quyết được những vấn đề chính sau:
- Tìm hiểu quy trình công nghệ và các thông số vận hành của xưởng Amonia, Urea trong nhà máy Đạm Phú Mỹ.
- Tìm hiểu về cách làm việc và sử dụng các công cụ trong môi trường Hysys, ProII, Aspen Plus cũng như các ứng dụng của nó trong lĩnh vực chế biến khí.
- Áp dụng phần mềm Aspen Plus mô phỏng hoạt động và thiết kế phân xưởng Urea của nhà máy Đạm Phú Mỹ.
- Nghiên cứu hệ thống điều khiển bước đầu xây dựng hệ thống điều khiển cho cụm phân hủy trung áp của phân xưởng Urea.
Tuy nhiên do thời gian có hạn và khả năng còn hạn chế nên trong đồ án này em chưa tìm hiểu kỹ hết các ứng dụng của các phầm mềm ứng dụng dung trong nghành công nghệ hóa học, chưa tìm hiểu được quy trình công nghệ của xưởng phụ trợ của nhà máy, cũng như chưa tính toán các thông số vận hành tối ưu.