Xây dựng một quá trình mô phỏng mới bằng cách kích chuột vào New. Kích chuột vào nút Add trong hộp thoại Simulation Basis Manager mở ra hộp thoại Fluid Pacakge chọn mô hình nhiệt động là: UNIQUAC – Peng Robinson
Hình 19 : Chọn mô hình nhiệt động cho quá trình
Hình 20 : Chọn cấu tử trong thư viện Hysys cho quá trình
Riêng đối với cấu tử Polypropylene, trong thư viện Hysys không có, do vậy ta phải xây dựng một cấu tử giả. Các bước làm như sau:
Chọn Hypothetical, click vào Quick Create A Solid Hypo…và đặt tên là PP. Double Click vào PP, đưa vào một số dữ liệu cần thiết như: Khối lượng phân tử, khối lượng riêng, %C, %H, nhiệt phản ứng. Sau đó Click Estimate Unknown Props để Hysys tự động tìm những dữ liệu còn lại
Hình 22 : Quá trình xây dựng cấu tử giả PP
Trong phần Rxns, Add các cấu tử phản ứng và phương trình phản ứng bằng cách click chọn Simulation Basis Mgr…, xuất hiện phần Reactions (những phương trình phản ứng) trong hộp thoại Simulation Basis Manager, sau đó click vào Add comps để chọn các cấu tử tham gia trong phương trình phản ứng hoá học bằng cách click chuột vào Add This Group of Component, tiếp tục chọn nút Add Rxn để xác lập loại phương trình phản ứng xảy ra trong thiết bị, ở đây chọn phương trình phản ứng dạng chuyển hoá (Conversion) và chọn Add reaction xuất hộp thoại Conversion Reaction: Rxn 1, sau đó chọn các cấu tử tham gia trong phương trình phản ứng và nhập các hệ số tỉ lượng (Stoich Coeffs) củaphương trình phản ứng. Trong phần Basis
chọn cấu tử Hydrogen (độ chuyển hoá theo Hydrogen). Xong đóng tất cả các hộp hội thoại, click vào Enter Simulation Environment (vào môi trường mô phỏng) trong hộp hội thoại Simulation Basis Manager.
Hình 24 : Xác định cấu tử và hệ số tỉ lượng cho phản ứng
Hình 25 : Xác định độ chuyển hóa của phản ứng
Trên thanh công cụ Case (Main) chọn dòng vật chất Material Stream (Hình mũi tên màu xanh). Click vào hình mũi tên giữ chuột và kéo đặt trên nền cần xây dựng, Double click vào hình mũi tên vừa xây dựng để nhập các thông số cho dòng như: Tên dòng, nhiệt độ, áp suất, lưu lượng của dòng trong phần Conditions.
Hình 26 : Xác lập nhiệt độ, áp suất, lưu lượng cho dòng
Trong phần composition ta nhập thành phần ( phần mol hoặc phần khối lượng ) của các cấu tử trong dòng nguyên liệu. Khi dòng chuyển sang màu xanh đậm là đã thực hiện đúng quá trình.
Các dòng vật chất cho Hydrogen và Xúc tác cũng được xây dựng tương tự. 4.3.2.2. Xây dựng thiết bị phản ứng
Trên thanh công cụ Case (Main) Click vào Conversion Reaction. Double click vào thiết bị để nhập tên cho dòng nguyên liệu vào, dòng sản phẩm ra, dòng nhiệt - trong phần Connections
Hình 28 : Xây dựng các dòng vào – ra và các thuộc tính cho TBPƯ
Trong phần Parameters xác định các điều kiện, thông số hoạt động của tháp như số pha, tổn thất áp suất, thể tích thiết bị, cung cấp nhiệt hay làm lạnh…
Conversion Reaction
Hình 29 : Xác lập các điều kiện và thông số cho TBPƯ
Tiếp theo, Click vào Reactions, để xác lập loại phản ứng và phương trình phản ứng xảy ra trong thiết bị.
Hình 30 : Xác lập các điều kiện phản ứng xảy ra trong TBPƯ
Trong phần Rating, xác lập thiết bị loại hình cầu hay trụ, kiểu đứng hay nằm ngang (hình 3.13)
Đến đây, về cơ bản đã thiết lập được các điều kiện cũng như thông số kĩ thuật cần thiết cho một thiết bị phản ứng. Trong sơ đồ công nghệ Spheripol, có ba thiết bị phản ứng và các bước thực hiện tương tự nhau.
Hình 31 : Chọn loại trong TBPƯ chuyển hoá
4.3.2.3. Xây dựng các thiết bị tách loại
Trong sơ đồ công nghệ Hypol II thiết bị tách dòng khí ra khỏi sản phẩm Polypropylene (HPS) là thiết bị lọc dạng túi. Khí thu được ở phần đỉnh đưa đi thu hồi Propylene để tuần hoàn lại quá trình. Sản phẩm thu được ở đáy.
Trên thanh công cụ Case (Main) Click vào Solid Ops→ Baghouse Filter.
Double click vào thiết bị để nhập tên cho dòng nguyên liệu vào, dòng sản phẩm ra, - trong phần Connections ( hình 3.14); Trong phần Parameters nhập tổn thất áp suất cho các túi ( hình ) Baghouse Filter
Hình 32 : Xây dựng các dòng vào – ra và các thuộc tính cho thiết bị tách
Sau khi thực hiện xong các thao tác xây dựng trên, ta được một sơ đồ mô phỏng chung cho dây chuyền sản xuất của phân xưởng Polypropylene như hình sau
Hình 34 : TỔNG QUAN SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT POLYPROPYLENE THEO CÔNG NGHỆ Hypol II
4.3.3. Kết quả thu được từ quá trình mô phỏng
Sau khi chạy mô phỏng, thu được kết quả cân bằng vật chất của quá trình như sau:
Bảng 11 : Cân bằng vật chất của các thiết bị Thiết bị PreR Vào (kg/h) Ra(kg/h) Propylen 5029 4778 Hydro 0,05 0 Catalyst 0,77 0,77
Propan lẫn trong Propylen 25,28 25,28
Metan lẫn trong H2 1,44.10-4 1,44.10-4 N2 lẫn trong H2 9,6.10-5 9,6.10-5 PP 0 251,6 Tổng 5056 5056 Thiết bị R1 Vào (kg/h) Ra (kg/h) Propylen 11614 5799 Hydro 0.066 0 Catalyst 0,77 0,77
Propan lẫn trong Propylen 59,68 59.68
Metan lẫn trong H2 3,44.10-4 3,44.10-4
N2 lẫn trong H2 2,26.10-4 2,26.10-4
PP 252 6066
Thiết bị R2
Vào (kg/h) Ra(kg/h)
Propylen 31237 18647
Hydro 0,24373 0
Catalyst 0,77 0,77
Propan lẫn trong Propylen 187,5 187,5
Metan lẫn trong H2 1,074.10-3 1,074.10-3 N2 lẫn trong H2 7,16.10-4 7,16.10-4 PP 6066 18656 Tổng 37491 37491 Thiết bị tách PP Vào (kg/h) Ra(kg/h) đỉnh( kg/h) đáy(kg/h) Propylen 18647 18647 0 Hydro 0 0 0 Catalyst 0,77 0,77 0
Propan lẫn trong Propylen 187,5 187,5 0
Metan lẫn trong H2 7,16.10-4 7,16.10-4 0
N2 lẫn trong H2 7,16.10-4 7,16.10-4 0
PP 18656 0 18656
Bảng 12 : Bảng tổng kết các dòng vào ra của quá trình mô phỏng Nhiệt độ (oC) Áp suất (bar) Lưu lượng (kg/h) Nhiệt lượng (kJ/h) Phần hơi Propylene 26 25 18750 3,931.106 0 Hydrogen 26 49,03 0,359 4,318 1 Xúc tác 10 25 0,778 -3307 0 Polypropylene 84,35 34,28 1866 -1,225.108 0
Propylene hồi lưu 84,35 34,28 1884 8793.106 1
Nước làm mát thiết bị preRvào 13,33 1,5 1,959.106 -3,108.1010 0
Nước làm mát thiết bị R1 vào 26 1,5 8,275.104 -3,127.108 0
Nước làm mát thiết bị R2 vào 26 1,5 3,176.105 -5,021.109 0
H2O làm lạnh Pro vào tb trộn 6 1 2200 -3,497.107 0
Hơi H2O gia nhiệtPro vào R1 151 2,7 293 -3,849.106 1
Hơi H2O gia nhiệtPro vào R2 151 2,7 730 9,598.106 1
CHƯƠNG 5
TÍNH TOÁN CÁC THIẾT BỊ CHÍNH 5.1. TÍNH TOÁN KÍCH THƯỚC CHO THIẾT BỊ CHÍNH
5.1.1. Các thiết bị phản ứng
Trong Hysys không hỗ trợ việc tự động tính toán thể tích thiết bị phản ứng khi mô phỏng ở trạng thái tĩnh (với tháp chưng cất thì có) mà chỉ hỗ trợ việc tính toán các giá trị còn lại như đường kính, bề dày vỏ thiết bị,…khi đã xác lập một giá trị thể tích nào đó.
Theo tính chất của quá trình như: Phản ứng ở pha lỏng, xúc tác được hoà trộn trong dòng vật chất, cho nên khi tính toán giá trị kích thước các thiết bị phản ứng phải thông qua các giá trị như: Lưu lượng thể tích thực (Fv) và thời gian lưu (TR) của lưu chất trong thiết bị phản ứng.
Các giá trị từ Hysys như sau:
TBPƯ preR R1 R2
Fv (m3/h) 9,75 2299 75,97
Theo yêu cầu công nghệ, các thiết bị phản ứng PreR, R1, R2 có thời gian lưu lần lượt là 6’, 1.25h, 0.75h.
Vậy thể tích hoạt động của các thiết bị phản ứng là: V (m3) = Fv* TR
TBPƯ preR R1 R2
V (m3) 0,975 74 28, 76 56,9
5.1.2. Thiết bị tách loại
Đối với thiết bị loại khí Propylen và rắn Polypropylen với lưu lượng 246.4 (m3/h) thì Hysic có thể tính toán được tất cả các thông số về kích thước thiết bị.
5.1.3. Kết quả thu được từ mô phỏng
Sau khi ta tính toán được các giá trị thể tích của các thiết bị nói trên. Tiến hành chạy Hysys để hiệu chỉnh các kích thước trên mang tính kinh tế hơn và các kích thước về bơm, thiết bị trao đổi nhiệt cũng được xác lập. Ta được kết quả sau:
TBPƯ reR p R 1 R 2 V (m3) 0 ,975 2 8,74 5 6,976 Đường kính (m) ,939 0 ,9 2 ,643 3 Chiều cao (m) 1 ,408 4 ,35 5 ,465
Đối với thiết bị tách loại với lưu lượng 246.4 (m3/h) ta được kết quả như sau:
Thiết bị tách PP Thời gian lưu (h) 25.74
Số ngăn 1 Diện tích 1 ngăn (m2) 14,2 Tổng diện tích (m2) 14,2 Đường kích hạt (mm) 1 Diện tích túi (m2 ) 1,48 Đường kính túi (m) 0,3 Số túi / ngăn 78 Tốc độ dòng khí(m/s) 0,005 Bước túi(m) 0,02 5.2. CÁC THIẾT BỊ PHỤ KHÁC Các máy bơm
Có 3 máy bơm kí hiệu lần lượt P-100, P-101, dùng bơm dòng Propylene nguyên liệu, và xúc tác.Với độ tăng áp qua các bơm là 11 bar. Khi chạy Hysic ta thu được các thông số kĩ thuật của bơm như sau.
Thiết bị P-100 P-101
Áp suất toàn phần (m) 219,8 55,56 Công suất toàn phần (kcal/h) 2573 0,135
Hiệu suất bơm ( %) 75 75
Tốc độ quay của bơm(rpm) 1800 1800
NPSH 279 126
Thiết bị trao đổi nhiệt
Thiết bị trao đổi nhiệt E-01 làm lạnh dòng propylene trước khi vào thiết bị trộn xúc tác trước khi vào thiết bị tiền phản ứng (PreR);
Thiết bị trao đổi nhiệt E-02, gia nhệt dòng propylen trước khi đi vào thiết bị phản ứng thứ nhất ( R1 );
Thiết bị trao đổi nhiệt E-03, gia nhiệt dòng propylene trước khi vào thiết bị phản ứng thứ hai ( R2 )
Thiết bị trao đổi nhiệt E-04, hóa hơi propylene lỏng chưa phản ứng trước khi vào thiết bị tách;
Khi tiến hành mô phỏng ta biết được lưu lượng của dòng nước làm lạnh và làm nóng dòng propylene qua các thiết bị trao đổi nhiệt E-01, E-02, E-03, E-04 lần lượt là 2200 (kg/h), 292.7(kg/h), 730(kg/h), 134720(kg/h). Ta tiến hành thiết kế để tính toán các thông số thiết bị trao đổi nhiệt như sau:
Trên thanh công cụ Case (Main) Click vào Heat exchanger. Double click vào thiết bị để nhập tên cho dòng nguyên liệu vào, dòng sản phẩm ra, dòng nhiệt - trong phần Connections.
Dòng vật chất đi trong ống là dòng Propylen, dòng đi ngoài ống là dòng nước gia nhiệt (Chọn dòng vật chất đi trong ống hay ngoài ống phụ thuộc nhiều yếu tố: nhiệt độ, loại lưu chất… Nhưng thông thường dòng đi trong ống là dòng lạnh, dòng đi ngoài ống là dòng nóng).
Hình 35 : Xây dựng thiết bị trao đổi nhiệt
Trong phần Parameters chọn cách thức trao đổi nhiệt (Heat Exchanger Model )là trong phạm vi mô phỏng tĩnh (Steady state rating). Nhập tổn thất áp suất cho dòng đi trong ống và ngoài ống.
Hình 36 : Xác lập tổn thất áp suất trong thiết bị trao đổi nhiệt
Hình 37 : Xác lập lưu lượng hơi thấp áp
Ta hoàn tất việc nhập thông số cho thiết bị trao đổi nhiệt. Hysic tự tính các thông số kích thước thiết bị. Tương tự ta thiết kế các thiết bị trao đổi nhiệt còn lại.
Bảng 13 : Thông số kích thước thiết bị.
Thiết bị E - 01 E - 02 E - 03 E- 04
Loại ( TEMA) AES
Đường kính vỏ thiết bị, mm 197 796 2554 1091
Số ống 30 160 480 320
Bố trí ống Kiểu tam giác
Đường kính ngoài ống, mm 18 20 24 20
Đường kính trong của ống, mm
14 16 18 16
Chiều dài ống, m 2 3 6 4
Bề mặt trao đổi nhiệt (m2) 10 60 217 80
Số pass ống 2 2 2 2
Tổn thất áp ngoài ống, KPa 200 200 500 500
CHƯƠNG 6
XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
CỦA QUÁ TRÌNH[31]
6.1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Trong ngành điều khiển tự động có hai loại chính đó là điều khiển có khả năng đóng hoặc mở (discrete control) và điều khiển quá trình (process control).
6.1.1. Các nguyên tắc cơ bản của quá trình điều khiển
6.1.1.1. 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 nghiêp 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 có 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.
6.1.1.2. 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 vv...
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]
6.1.2. Hệ thống điều khiển phân tán DCS trong các 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 38 : Mô hình hệ thống điều khiển DCS
Những lợi thế mà DCS mang lại có thể kể ra như
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.
Cung cấp cái nhìn tổng quát nhất về hoạt động của nhà máy.
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...
6.1.3.BỘ ĐIỀU KHIỂN PID
6.1.3.1. 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).
Hình 39 : Sơ đồ hoạt động của khâu PID
Bộ điều khiển PID được sử dụng khá rộng rãi để điều khiển đối tượng theo nguyên lý hồi tiếp, đặc biệt là trong ngành công nghiệp quá trình, trong đó nổi bật nhất là lĩnh vực dầu khí. Lý do bộ điều khiển này được sử dụng rộng rãi là tính đơn