Quy trình sản xuất của nhà máy sản xuất polypropylen

g thiết bị phản ứng. Khí tuần hoàn thoát ra từ đỉnh thiết bị tách kết hợp với hydro được bơm vào đáy thiết bị phản ứng. Quá trình polymer hóa có thể được ngừng lại nhờ bơm khí CO (kill gas) khi cần thiết. • Khu vực Khử hoạt tính bột polymer Bột polymer đồng thể (homopolymer) thoát ra từ lò phản ứng có chứa các hydrocacbon không tham gia phản ứng. Nhờ giảm áp suất trong thiết bị tách nên những hydrocacbon này được tách ra khỏi sản phẩm homopolymer, sau đó chúng được nén và bơm tuần hoàn lại thiết bị phản ứng. Bột polymer ra khỏi thiết bị tách vẫn chứa monomer (dạng hấp phụ). Chính vì vậy chúng cần được làm sạch tại cột sục rửa (Purge Column). Nitơ ướt được bơm vào đáy cột để cuốn monomer này cùng xúc tác, chất đồng xúc tác khỏi bột polymer. Khí thoát ra khỏi đầu cột sục rửa được đưa vào hệ thống thu hồi khí để tách monomer, hồi lưu lại thiết bị phản ứng. Bột polymer ra khỏi cột sục rửa được trộn với phụ gia sau đó đưa sang bộ phận ép tạo hạt. • Khu vực Hoàn thiện sản phẩm Bột polymer từ cột sục rửa được đưa tới thiết bị ép bằng đầu trục vít qua hệ thống đo lường để trộn cùng với lượng xác định chất phụ gia rắn và lỏng. Trong thiết bị ép, chúng bị nóng chảy, đồng thể hoá, tạo gel, lọc và tạo hạt. Quá trình tạo hạt được tiến hành trong môi trường nước. Hạt polymer được đưa ra khỏi máy ép và được vận chuyển bằng nước khử khoáng đến thiết bị phân tách để tách polymer và nước. Nước sau khi tách được gom vào bể và bơm tuần hoàn tới hệ thống tạo hạt. Hạt polymer sau khi ra khỏi thiết bị tách được đưa sang bể phân loại. Sản phẩm đạt chất lượng được đưa sang tháp trộn nhờ dòng không khí, phế phẩm đưa sang thùng chứa khác. • Khu vực Tháp trộn Những hạt polymer được trộn tại 3 tháp trộn để thu hồi polymer đồng nhất. • Bộ phận Silô Tháp này được sử dụng như phần đệm giữa khu vực sản xuất và dây truyền đóng gói. Những tháp này có thể chứa được sản phẩm sản xuất trong vòng 5 ngày. • Khu vực Đóng gói PP thương phẩm được đóng gói vào những bao PE 25 kg, các bao này được đóng thùng và cột chặt bằng màng PE co dãn và đưa đến nhà kho bằng xe nâng. Những bao và màng PE co dãn được sản xuất tại Phân xưởng PP. • Khu vực Làm sạch propylen Propylen lỏng độ tyinh khiết polymer hoá (99,6% khối lượng) từ bể chứa trung gian được bơm sang khu làm sạch propylen. Tại đây propylen được xấy khô bằng rây phân tử. Khử vết COS vì tất cả các xúc tác polymer hóa đều rất nhậy cảm với COS và các chất ô nhiễm trong nguyên liệu.. 3.4. KHÁI QUÁT VỀ PHÁT PHÁT TRIỂN CÔNG NGHIỆP POLYPROPYPROPYLENE [27] Công nghiệp sản xuất PP thương mại đã tồn tại hơn bốn mươi năm nay. Công ty Montecatini đã đưa ra công nghệ sản xuất PP thương mại đầu tiên vào năm 1957. Đó là quá trình polymer hoá “dung dịch bùn” (xăng được sử dụng làm môi trường pha loãng) xảy ra ở nhiệt độ 55-60oC, áp suất 1MPa với sự có mặt của xúc tác Ziegler-Natta thế hệ một (gồm các hợp chất cơ kim, chủ yếu là (C2H5)3Al, và TiCl3. Sử dụng 1g xúc tác để sản xuất gần 1 kg PP. Vào những năm thập kỷ 60 các công ty khác nhau đã cải biến công nghệ sản suất PP dựa trên quá trình Montecatini. Các công nghệ sử dụng xúc tác thế hệ một vẫn được áp dụng rộng rãi. Vào năm 1985 thị phần của công nghệ sản xuất PP sử dụng xúc tác thế hệ một chiếm 42% ở Mỹ (trong tổng số 2,6 MMTA), 79% ở Nhật (trong tổng số 1,35 MMTA) và 71% ở Tây Âu (trong tổng số 2,3 MMTA). Công nghệ này có những nhược điểm chính sau: • Xúc tác cần được phân huỷ sau quá trình polymer hoá do độ nhạy cảm cao của propylen đối với xúc tác; • Cần loại bỏ các hợp chất Atatic khỏi polymer (hàm lượng có thể lên đến 20%); • Chi phí sản xuất cao so với các quá trình sản xuất chất dẻo chịu nhiệt khác do phải đầu tư bổ sung các thiết bị giảm hoạt hoá xúc tác. Mặc dù vậy, thị phần của công nghệ sản xuất PP “ dung dịch bùn” là 31% tổng sản phẩm PP trên toàn thế giới vào năm 1990 và 20% vào năm 1999. Vào những năm 1970-1983 các xúc tác lập thể hiệu quả cao thế hệ hai và ba được đưa ra (hiệu suất của xúc tác lần lượt là 10-15 và 20-30 kg PP đối với 1g chất xác tác). Những xúc tác này gồm TiCl4 trên chất mang MgCl2 cùng với alkyl của nhôm và các phụ gia hữu cơ cho sự điều khiển tính đẳng cấu của polymer. Đến giữa thập kỷ 80 các công ty khác nhau đã cải tiến các công nghệ dựa trên những xúc tác đó. Polymer hoá sử dụng xúc tác hiệu quả cao được đưa dùng cho cả 2 loại lò phản ứng pha khí và pha bùn. 3.5. GIẢI TRÌNH VỀ SỰ LỰA CHỘN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT PP [28] Hai yếu tố quan trọng để lựa chọn công nghệ sản xuất PP là hệ vật chất/cơ khí và hệ xúc tác. Xúc tác đóng vai trò quan trọng hơn. Có 3 loại công nghệ chính để sản xuất homopolymer và random copolymer: Lò phản ứng dạng vòng môi trường bùn, lò phản ứng có máy khuấy liên tục môi trường bùn và lò phản ứng pha khí. Trong trường hợp sản xuất copolymer nén phải bổ sung thêm một lò phản ứng pha khí (thậm chí có thể phải bổ sung thêm hai lò). PP được sản xuất dưới 3 thể loại: isotactic, syndiotactic và atactic. Cấu trúc phân tử của isotactic PP là sắp xếp nhóm metyl về một phía của phân tử trong khi syndiotactic PP phân nhóm metyl đều sang 2 phía. Isotactic PP rắn, chịu lực kéo căng tốt và có độ bền hoá học tốt nhờ có cấu trúc tinh thể cao. Syndiotactic PP khó sản xuất hơn và có độ tinh thể thấp hơn. Một số syndiotactic PP được sản xuất với sự có mặt của xúc tác metallocen. Atactic PP khó bán trên thị trường vì loại sản phẩm này mềm giống như chất đàn hồi. Atactic PP thường được tạo thành trong khi sản xuất isotactic PP và bị loại ra hoặc được bán cho những nhu cầu đặc biệt hoặc được đốt bỏ. Công nghệ sản xuất isotactic PP được áp dụng rộng rãi từ những năm 1980. Thay đổi trong công nghệ sản xuất PP tập trung chủ yếu trong phát triển xúc tác hiệu suất cao và độ chọn lựa cao. Loại xúc tác này được sử dụng để giảm bớt sự tạo thành của atactic PP và tránh phải khử cặn xúc tác. Homopolymer PP có độ rắn cao, trong suốt và có tỉ trọng thấp (0,9 – 0,906 g/cm3), bền vững hoá học và bền nhiệt. Tuy nhiên, homopolymer có độ chịu nén thấp, đặc biệt là ở nhiệt độ thấp. Copolymer được sản xuất để khắc phục nhược điểm này. Sử dụng xúc tác metallocen trong sản xuất PP được phát triển như trong sản xuất PE. Với loại xúc tác này cần lưu ý để cải thiện các nhược điểm sau: - Nhựa có điểm chảy mềm thấp - Kết hợp với comonomer mới như hexen-1 - Độ trong suốt của sản phẩm - Khả năng sản xuất nhựa có tính chất mong muốn (điểm chảy mềm..) không cần sử dụng kỹ thuật CR (lò phản ứng tuần hoàn). Exxon Mobil và Basell đã hợp tác với nhau để phát triển sản xuất PP sử dụng xúc tác metallocen. Exxon Mobil chú trọng phát triển sản xuất sợi trong khi Basell phát triển sản xuất nhựa đúc. ATOFINA cũng là công ty phát triển sử dụng metallocen mạnh. Các nhà bản quyền chính hiện nay bao gồm: - Basell “Spheripol” Lò phản ứng dạng vòng - Dow “Unipol” Lò phản ứng pha khí - BP “Innovene” Lò phản ứng pha khí - ABB Lumus “Novolen” Lò phản ứng pha khí - Mitsui “Hypol” Lò phản ứng dạng vòng - Sumitomo Lò phản ứng pha khí Công nghệ polymer hoá pha bùn được sử dụng rộng rãi. Đó là công nghệ SPHERIPOL của công ty Basell và HYPOL/HYPOL-II của công ty MITSUI. Polymer hoá xảy ra trong các lò phản ứng dạng vòng với bơm tuần hoàn của hỗn hợp phản ứng. Các công nghệ pha khí dược sử dụng khác nhau với thiết kế hình dạng của lò phản ứng và thiết bị khuấy như sau: • Đối với công nghệ UNIPOL của công ty Union Carbide, qúa trình polymer hoá xảy ra trong lò phản ứng tầng sôi không có thiết bị khuấy; • Đối với công nghệ NOVOLEN của công ty BASF (hiện nay là của ABB), qúa trình polymer hoá xảy ra trong lò phản ứng thẳng đứng có thiết bị khuấy cơ học; • Đối với công nghệ INNOVENE của công ty BP, qúa trình polymer hoá xảy ra trong lò phản ứng nằm ngang có thiết bị khuấy cơ học. Công nghệ UNIPOL tầng sôi là công nghệ pha khí có tính ưu việt nhất do điều kiện trao đổi nhiệt và vật chất tốt hơn. Khả năng tạo ra các vùng nóng nhỏ hơn so với công nghệ khuấy và do đó làm tăng chất lượng sản phẩm polymer. Trong năm 2000, công nghệ sản xuất PP trên thế giới hầu như không có thay đổi lớn. Tuy nhiên các nhà sản xuất PP cải tiến dần hệ xúc tác và chu trình công nghệ để nâng cao tính cạnh tranh, chất lượng sản phẩm và mở rộng chủng loại sản phẩm. Một số thành tựu đã đạt được do cải thiện độ chảy mềm của các homopolymer. Tất cả những nhà sản xuất PP lớn có thể sản xuất tất cả các chủng loại homopolymer trên thị trường với tính năng khác nhau. Để đánh giá và lựa chọn đúng nhà cung cấp bản quyền, dưới đây là bảng tập họp các số liệu về công nghệ của các nhà cung cấp bản quyền bao gồm: • Tính năng kỹ thuật của quá trình polymer hoá • Đặc tính, giá thành của xúc tác và hoá chất • Tính chất của thiết bị • Tiêu thụ nguyên liệu, xúc tác, phụ gia và năng lượng phụ trợ để sản xuất một tấn PP • Chất lượng của sản phẩm polymer • Lượng chất rắn, lỏng, khí thải Công nghệ HYPOLL II cho phép sản xuất nhiều loại sản phẩm hơn với các chỉ tiêu khác nhau và tính năng đa dạng hơn So sánh với các công nghệ khác được xem xét trong nghiên cứu khả thi này, công nghệHYPOLL II có những ưu việt sau về mặt chi phí đầu tư và vận hành: • Thể tích của toàn bộ thiết bị phản ứng được sử dụng hiệu quả trong quá trình polymer hoá pha lỏng, trong khi khu vực phân tách để tách polymer khỏi monomer tuần hoàn là cần thiết đối với công nghệ pha khí. Điều này loại bỏ khả năng nhiễm bẩn sản phẩm khi xả khỏi thiết bị phản ứng do không có bề mặt tiếp xúc trong thể tích phản ứng • Hiệu suất trao đổi nhiệt trong thiết bị phản ứng dạng vòng cao hơn so với trong pha khí do thiết bị phản ứng dạng vòng cho phép tốc độ trao đổi nhiệt cao hơn cũng như việc loại bỏ nhiệt thừa từ các hạt polymer hoá cân bằng hơn. Điều này làm nhiệt độ phản ứng ổn định và dễ điều khiển hơn (không có các"điểm tụ nhiệt") • Các đặc tính thiết kế của thiết bị phản ứng dạng vòng lặp đảm bảo tính linh hoạt khi tăng công suất của phân xưởng PP. Việc tăng công suất trong trường hợp polymer hoá pha khí đòi hỏi các nghiên cứu thiết kế ngặt nghèo hơn do có các yêu cầu nghiêm ngặt hơn đối với thiết kế của thiết bị phản ứng và giới hạn về trường trao đổi nhiệt • Việc điều khiển dòng nóng chảy và sự đồng thể trong thiết bị phản ứng dạng vòng lặp có hiệu quả hơn so với thiết bị phản ứng dạng tầng sôi hoặc lớp khuấy trộn ngang/dọc do các đồng xúc tác và hydro được đưa vào dòng tuần hoàn có sự khuấy trộn mạnh (polymer trong monomer lỏng). Điều này tạo ra điều kiện polymer hoá ổn định và đồng thể • Công nghệ còn tạo điều kiện cho việc thay đổi nhanh chủng loại sản phẩm mà không tăng chi phí vận hành. Bình thường các nhà máy sử dụng công nghệ có thể sản xuất 15 đến 18 cấp độ sản phẩm trong một tháng. Tỉ lệ sản phẩm không đạt tiêu chuẩn trong trường hợp sản xuất homopolymer khoảng 0.2% (sản phẩm không đạt chất lượng cũng có thể bán được) • Do hoạt tính cao của xúc tác, với hiệu suất polymer cao, hàm lượng cặn xúc tác còn lại trong polymer (và kéo theo là hàm lượng kim loại) là rất thấp. Điều này dẫn đến sản phẩm có mầu tốt hơn (vàng nhạt). Hơn nữa, việc xử lý bột polymer bằng hơi nước trực tiếp làm giảm hàm lượng các cấu tử hoà tan và không bền trong polymer. Điều này dẫn đến sản phẩm PP có chất lượng cao dùng được trong công nghệ y tế và thực phẩm • Trong trường hợp ứng dụng xúc tác hình thái học có khống chế, việc sản xuất bột polymer với hạt có kích thước từ 0.3 đến 5 mm có thể thực hiện được mà không cần thay đổi cấu hình phân xưởng do kích thước hạt không ảnh hưởng đến hiệu suất tầng sôi trong thiết bị phản ứng dạng vòng lặp. Mỗi loại xúc tác tạo ra các polymer với phân bố kích thước hạt trong khoảng hẹp và hình thái polymer đồng nhất. Bột polymer hình cầu được làm từ PP với tốc độ chảy rất cao hoặc rất thấp có thể được dùng với phụ gia ở dạng không tạo hạt đối với các ứng dụng ép đùn • Công nghệ " có độ tin cậy và khả năng vận hành cao so với công nghệ pha khí. Điều này đưa đến những kết quả sau: các máy nén pitông có độ tin cậy thấp không được sử dụng trong quá trình polymer hoá pha lỏng, hình thái được khống chế của polymer và các đặc tính của quá trình tạo điều kiện cho quá trình vận chuyển polymer rắn dễ dàng, các giới hạn của quá trình do hiện tượng "điểm quá nhiệt", "thể tích chết", sản phẩm bị nhớt không xuất hiện trong tất cả các quá trình xử lý Trên cơ sở đó, đề nghị sử dụng công nghệ Hypol II để sản xuất PP . CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT POLYPROPYLENE BẰNG PHẦN MỀM HYSIS 4.1. Những thông số ban đầu: [29] - Công suất của nhà máy : 150.000 (tấn/năm); - Dải công suất hoạt động của nhà máy : (50 ÷ 100)% công suất thiết kế; - Nhà máy hoạt động : 8000 (giờ / năm); - Xúc tác hiệu suất cao, tiêu thụ tối đa đạt (0,033 ÷ 0,05) kg/tấn sản phẩm; Yêu cầu đặc tính kỹ thuật của nguyên liệu Propylen Nguyên liệu propylen từ phân xưởng thu hồi propylen (PRU) của Nhà máy lọc dầu sẽ được chuyển đến phân xưởng PP bằng đường ống. Phần propylen nhập sẽ được chuyển đến các bể chứa đặt tại khu bể chứa sản phẩm của Nhà máy . Các đặc tính và điều kiện biên của nguyên liệu được chỉ ra dưới đây: Áp suất : 26 kg/cm2g Nhiệt độ : Môi trường Trạng thái: Lỏng Bảng 4 : Thành phần của nguyên liệu từ nhà máy lọc dầu Tinh khiết Propylen, % thể tích, tối thiểu 99,5 Hyđrô, phần triệu thể tích, tối đa 20 Loại 0,5 Nitơ, Mêtan, phần triệu thể tích, tối đa 100 Etan, phần triệu thể tích, tối đa 200 C4, C5, Hydrocarbon no, phần triệu 200 thể tích, tối đa Etylen, phần triệu thể tích, tối đa 100 Buten, phần triệu thể tích, tối đa 100 Penten, phần triệu thể tích, tối đa 10 Độc tố: Acetylen, phần triệu thể tích, tối đa 5 Metylacetylen, phần triệu thể tích, tối đa 3 Propadien, phần triệu thể tích, tối đa 5 Butadien, phần triệu thể tích, tối đa 50 C6-C12, phần triệu thể tích, tối đa 20 Ôxy, phần triệu thể tích, tối đa 2 CO, phần triệu thể tích, tối đa 0,03 COS, phần triệu thể tích, tối đa 0,02 Lưu huỳnh tổng số, phần triệu khối lượng tối đa, 1 Metanol, phần triệu thể tích, tối đa 5 Isopropanol, phần triệu thể tích, tối đa 15 Nước, phần triệu khối lượng, tối đa 2 Asen, phần triệu thể tích, tối đa 0,03 Phosphin, phần triệu tểh tích, tối đa 0,03 Ammonia, phần triệu khối lượng, tối đa 5 Cyclopentadien, phần triệu thể tích, tối đa 0,05  Đặt tính kỹ thuật khí chứa Hydrogen: Khí chứa hydro từ phân xưởng Reforming của Nhà máy lọc dầu được đưa đến phân xưởng PP có đặc tính kỹ thuật như sau: Áp suất: 50 kg/cm2g Nhiệt độ: Môi trường Trạng thái: Khí Bảng 5 : Thành phần của khí chứa hydro Tinh khiết Hyđrô, % thể tích, tối thiểu 99,5 Nitơ, Metan, , % thể tích, tối thiểu tới 0,5 Độc tố: CO, phần triệu thể tích, tối đa 0,5 CO2, phần triệu thể tích, tối đa 5 Ôxy, phần triệu thể tích, tối đa 5 Nước, mg/Nm3, tối đa 2 Lưu huỳnh tổng thể, phần triệu khối lượng, tối đa 1 Thuỷ ngân (từ điện phân), mg/Nm3, tối đa 2 Acetylen (từ cracking), phần triệu thể tích, tối đa 10 Ammonia (từ n/m đạm), phần triệu khối lượng, tối đa 5 4.2. TÍNH CÁC GIÁ TRỊ BAN ĐẦU CHO QUÁ TRÌNH MÔ PHỎNG (Thực tế nhà máy có hệ thống điều khiển lưu lượng từng dòng nhưng trong mô phỏng tỉnh ta phải tính toán các số liệu ban đầu để đưa vào mô phỏng) Giả thiết : Dòng sản phẩm ra trong mỗi thiết bị phản ứng hầu như không chứa hydro. Lượng tiêu thụ xúc tác thấp nhất trong 1 h Độ chuyển hóa Propylen tổng : 50 % Bảng 6 : Độ chuyển hóa của Propylen và Hydro trong từng thiết bị phản ứng TBPƯ preR C% H2 100% C% C3H6 5% TBPƯ R1 C% H2 100% C% C3H6 50% TBPƯ R2 C% H2 100% C% C3H6 40% Lượng Propylene nguyên liệu thương mại ban đầu ( make-up) là: F = 150000 ( Tấn ) Lưu lượng khối lượng Propylene nguyên liệu thương mại ( make-up) là F Propylene make-up = 8000 10*150000 3 = 18750 ( kg/h ) Lưu lượng khối lượng Propylene hồi lưu là F Propylene hồi lưu = 18750 ( kg/h) ( vì hiệu suất PƯ đạt 50% ) Tổng lượng Propylen đưa vào đầu quá trình là F Propylene = F Propylene make-up + F Propylene hồi lưu = 37500 ( kg/h ) Tổng lượng Propylen tinh khiết đưa vào đầu quá trình là F Propylene = 100 5,99*37500 = 37312.5 ( kg/h ) Gọi : X : Tổng lượng propylene đưa vào đầu quá trình ( propylene make-up và dòng propylen hồi lưu) X1 lượng propylene vào thiết bị hòa trộn xúc tác trước khi vào thiết bị PreR X2 là lượng propylene vào trực tiếp thiết bị preR X3 là lượng propylene vào trực tiếp thiết bị R1 X4 là lượng propylene vào trực tiếp thiết bị R2 → X1 + X2 + X3 + X4 = 37312.5 ( kg / h) ( a ) Tính : Xét cả quá trình : Lượng propylen phản ứng là ; = 100 50*5.37312 = 18656.25 ( kg/h) PƯ : 2500 C3H6 + H 2 = PP 105200 2.016 105200.016 X X*2.016/105200 X*105200.016/105200 (kg/h) 18656.25 0.358 18656.608 (kg/h) → Lượng PP sản xuất được trong 1 h : 18656.608 (kg/h) Lượng hydro tiêu tốn trong 1 h : 0.358 (kg/h) Lượng xúc tác tiêu thụ trong 1 h : 1000 033.0*608.18656 = 0.616 (kg/h) Lượng propylen còn lại : = 37312.5 - 18656.25 = 18656.25 (kg/h) Xét trong từng thiết bị phản úng : Độ chuyển hóa của propylen tại PreR là 5% → lượng propylen tham gia phản ứng tại PreR là : 5% ( X1 + X2 ) Độ chuyển hóa của propylen tại R1 là 50% → lượng propylen tham gia phản ứng tại R1 là : 50%( 95% ( X1 + X2 ) + X3) Độ chuyển hóa của propylen tại R2 là 40% → lượng propylen tham gia phản ứng tại R2 là : 40% (50% (95% ( X1 + X2 ) + X3) + X4 ) → Lượng propylen còn lại là : 60%(50%( 95 %( X1 + X2 ) + X3) + X4) =18656.25 ( b ) → Tổng lượng propylen phản ứng là : 5% ( X1 + X2 ) + 50 % ( 95%( X1 + X2 ) + X3) +40% ( 50% (95% ( X1 + X2 ) + X3) + X4 ) = 18656.25 ( c ) Giả sử lượng propylen vào thiết bị trộn trước khi vào thiết bị PreR là : X1 = 1000 (kg/h) ( d ) Từ ( a ), ( b ), ( c ), ( d ) giải hệ phương trinh ta được X2 = 4035.043 (kg/h) X3 = 6845.017 (kg/h) X4 = 25437.47 (kg/h) Ví độ tinh khiết của Propylen là 99.5 % nên → Lưu Lượng propylene thực vào thiết bị hòa trộn xúc tác trước khi vào thiết bị PreR : Fpro1 = 1000 (kg/h) Lưu lượng propylene thực vào trực tiếp thiết bị preR : Fpro2 = 4035.043 (kg/h) Lưu lượng propylene thực vào trực tiếp thiết bị R1 : Fpro3 = 6845.017 (kg/h) Lưu lượng propylene thực vào trực tiếp thiết bị R2 : Fpro4 = 6845.017 (kg/h) Lượng propylen tham gia phản ứng tại PreR là : 251.752 → Lượng propylen tham gia phản ứng tại R1 là : 5814.154 → Lượng propylen tham gia phản ứng tại R2 là : 12500.638 Tại thiết bị PreR: PƯ: 2500 C3H6 + H 2 = PP 105200 2.016 105200.016 X X*2.016/105200 X*105200.016/105200 (kg/h) 251.752 0.00482 251.757 (kg/h) Tại thiết bị R1: PƯ: 2500 C3H6 + H 2 = PP 105200 2.016 105200.016 X X*2.016/105200 X*105200.016/105200 (kg/h) 5814.154 0.11142 5814.265 (kg/h) Tại thiết bị R2: PƯ: 2500 C3H6 + H 2 = PP 105200 2.016 105200.016 X X*2.016/105200 X*105200.016/105200 (kg/h) 15200.638 0.23956 12055.877 (kg/h) Lượng PP trong thiết bị PreR : 251.757 (kg/h) Lượng PP trong thiết bị R1: 251.757 + 5814.265 = 6066.022 (kg/h) Lượng PP trong thiết bị R2: 6066.022 + 12055.877 = 18658.606 (kg/h) Lượng hydro ( tinh khiết )vào thiết bị preR là : 0.0482 ( kg/h) Lượng hydro vào thiết bị R1 là : 0.11142 ( kg/h) Lượng hydro vào thiết bị R2 là : 0.23956 ( kg/h) Vì độ tinh khiết của hydro là 99.5 % nên ta có : Lưu lượng hydro thực vào thiết bị preR là : 0.0485 ( kg/h) Lưu lượng hydro thực vào thiết bị R1 là : 0.11198( kg/h) Lưu lượng hydro thựcvào thiết bị R2 là : 0.24076 ( kg/h) Tổng Lượng hydro đưa vào là : 0.358 ( kg/h) Bảng cân bằng vật chất các dòng vào ra của các thiết bị : ( vì qua bơm và tb trao đổi nhiệt thành phần và lưu lượng các dòng vật chất xem như không đổi nên ta chỉ lập bảng cho các thiết bị PreR, R1, R2, tb tách ) Bảng 7 : Bảng cân bằng vật chất của thiết bị PreR Thiết bị PreR Vào (kg/h) Ra(kg/h) Propylen 5009 4758 Hydro 0,005 0 Catalyst 0,62 0,62 Propan lẫn trong Propylen 25,2 25,2 Metan lẫn trong H2 1,5.10-5 1,5.10-5 N2 lẫn trong H2 1.10-5 1.10-5 PP 0 252 Tổng 5036 5036 Bảng 8 : Bảng cân bằng vật chất của thiết bị R1 Thiết bị R1 Vào (kg/h) Ra(kg/h) Propylen 11569 5755 Hydro 0,11 0 Catalyst 0,62 0,62 Propan lẫn trong Propylen 59,6 59,6 Metan lẫn trong H2 3,5.10-4 3,5.10-4 N2 lẫn trong H2 2,34.10-4 2,34.10-4 PP 251.7 6066 Tổng 11881 11881 Bảng 9 : Bảng cân bằng vật chất của thiết bị R2 Thiết bị R2 Vào (kg/h) Ra(kg/h) Propylen 31065 18564 Hydro 0,24 0 Catalyst 0,62 0,62 Propan lẫn trong Propylen 187,4 187,4 Metan lẫn trong H2 1,07.10-3 1,07.10-3 N2 lẫn trong H2 7,15.10-4 7,15.10-4 PP 6066 18656 Tổng 37319 37409 Bảng 10 : Bảng cân bằng vật chất của thiết bị tách PP Thiết bị tách PP Vào (kg/h) Ra (kg/h) đỉnh( kg/h) đáy(kg/h) Propylen 18564 18564 0 Hydro 0 0 0 Catalyst 0,616 0,616 0 Propan lẫn trong Propylen 187 187 0 Metan lẫn trong H2 7,15.10-4 7,15.10-4 0 N2 lẫn trong H2 7,15.10-4 7,15.10-4 0 PP 18656 0 18656 Tổng 37409 18752 18656 4.3. TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH NHỜ MÔ PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM HYSYS[30] Để đáp ứng nhu cầu ngày càng lớn các sản phẩm dầu mỏ cả về số lượng và chất lượng, chúng ta phải không ngừng cải tiến về công nghệ và phương pháp sản xuất. Vì vậy, các công trình nghiên cứu khoa học, các dự án thiết kế được tiến hành, và cùng với sự phát triển vượt bậc của ngành công nghệ thông tin, với những máy tính tốc độ cao, các hệ điều hành siêu việt, các lập trình viên đã góp phần to lớn cho sự ra đời của các phần mềm mô phỏng. Trước đây để lên kế hoạch cho một dự án đòi hỏi rất nhiều thời gian, và khả năng thực hiện dự án đó là khó có thể không thể biết trước được. Nhưng khi các phần mềm mô phỏng ra đời, thì công việc trở nên nhẹ nhàng đi rất nhiều, chúng ta có thể mô phỏng hoạt động của các nhà máy trong các chế độ vận hành khác nhau, thay đổi các thông số làm việc của bất kỳ đơn vị hoạt động nào mà không ảnh hưởng đến quá trình hoạt động chung của nhà máy. Ngoài ra, với những tính năng của các phần mềm mô phỏng ta có thể thiết kế được các dự án khác nhau, tìm được phương án tối ưu, nhanh, cho kết quả khả quan và đạt hiệu quả kinh tế, quan trọng hơn nữa là áp dụng được cho hầu hết các lĩnh vực của ngành dầu khí và các ngành công nghệ hoá học, đảm bảo được tính khả thi cho những kế hoạch lớn sẽ được thực hiện trong tương lai. Một số phần mềm mô phỏng: - Simsci (PRO//II). - Hyprotech (HYSIM, HYSYS, HTFS, STX/ACX, BDK). - Bryan research & engineering (PROSIM, TSWEET). - Winsim (DESIGN II for Windows). - IDEAS Simulation. - Simulator 42. - RSI. - Chemstations. 4.3.1. Giới thiệu về phần mềm Hysys Hysys là phần mềm chuyên dụng dùng để tính toán và mô phỏng công nghệ được dùng cho chế biến dầu và khí, trong đó các quá trình xử lý và chế biến khí được sử dụng nhiều nhất. Hysys chạy trên Windows là phiên bản mới của Hysim, phần mềm này trước đây dùng trên hệ điều hành MS.Dos. Hysys là sản phẩm của công ty Hyprotech - Canada thuộc công ty AEA Technologie Engineering Software - Hyprotech Ltd. Là một phần mềm có khả năng tính toán đa dạng, cho kết quả có độ chính xác cao, đồng thời cung cấp nhiều thuật toán sử dụng, trợ giúp trong quá trình tính toán công nghệ, khảo sát các thông số trong quá trình thiết kế nhà máy chế biến khí. Ngoài thư viện có sẵn, Hysys cho phép người sử dụng tạo các thư viện riêng rất thuận tiện cho việc sử dụng. Ngoài ra Hysys còn có khả năng tự động tính toán các thông số còn lại nếu thiết lập đủ thông tin. Đây chính là điểm mạnh của Hysys giúp người sử dụng tránh những sai sót và đồng thời có thể sử dụng những dữ liệu ban đầu khác nhau. Hysys được thiết kế sử dụng cho hai trạng thái mô phỏng:  Steady Mode: Trạng thái tỉnh, sử dụng thiết kế công nghệ cho một quá trình.  Dynamic Mode: Trạng thái động, mô phỏng thiết bị hay quy trình ở trạng thái đang vận hành liên tục, khảo sát sự thay đổi các đáp ứng của hệ thống theo sự thay đổi của một vài thông số. 4.3.2. Các bước mô phỏng sơ đồ công nghệ sản xuất Polypropylene 4.3.2.1. Xây dựng mô hình, điều kiện phản ứng 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 Trong phần Components ta chọn các cấu tử cho trong 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 21 : Xây dựng cấu tử giả cho quá trình 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) của phương 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 23 :Xây dựng phương trình phản ứng cho quá trình 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 Hình 27 :Xác lập thành phần cho từng cấu tử trong 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 Conversion Reaction 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… 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 Hình 33 : Xác lập tổn thất áp suất trong các túi 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 Tổng 11926 11926 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 Tổng 37491 18835 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 nhiệt Pro vào R1 151 2,7 293 -3,849.106 1 Hơi H2O gia nhiệt Pro vào R2 151 2,7 730 9,598.106 1 Hơi nước hóa hơi Pro 151 2,7 2400 -3,155.107 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 28,74 56,976 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 preR R1 R2 V (m3) 0,975 28,7 4 56,976 Đường kính (m) 0,939 2,9 3,643 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 Năng suất (m3/s) 73,4 38,5.10-5 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 Trong phần Worksheet nhập lưu lượng hơi thấp áp trao đổi nhiêt. 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 Bước ống, mm 20 50 100 50 Tổn thất áp ngoài ống, KPa 200 200 500 500 Tổn thất áp trong ống 300 400 2000 3000 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). Sơ đồ hoạt động của khâu PID như sau: 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 giản về cấu trúc của nó lẫn nguyên lý làm việc. Bộ điều khiển PID có nhiệm vụ đưa sai lệch e(t) giữa giá trị đặt SP và giá trị thực tế PV về không sao cho quá trình quá độ thoả mãn các yêu cầu cơ bản về chất lượng. Bộ điều kiển PID được mô tả bằng mô hình vào ra theo phương trình sau u(t) = kp[ e(t) + iT 1 dtte t∫ 0 )( + Td dt tde )( ] Trong đó Kp là hệ số khuyếch đại, đặt trưng cho khâu tỉ lệ. Ti là hằng số tích phân, đặt trưng cho khâu tích phân. Td là hằng số vi phân, đặt trưng cho khâu vi phân. Đây là ba thông số đặt trưng cho bộ điều khiển PID. Chất lượng hệ thống phụ thuộc vào ba thông số này. Muốn có hệ thống có chất lượng như mong muốn thì phải phân tích đối tượng rồi trên cơ sở đó chọn các thông số Kp, Ti, Td cho phù hợp 6.1.4. Lựa chọn khâu tác động và các thông số đặt trưng cho PID Nhiệm vụ của việc thiết kế bộ điều khiển PID cho một quá trình cụ thể là  Lựa chọn khâu tác động  Tính toán các thông số đặt trưng cho từng khâu Không phải bao giờ cũng dùng cả ba khâu này trong một vòng điều khiển. Thông thường tác động P + I được dùng để điều khiển các thông số thay đổi nhanh như điều khiển mức, điều khiển áp suất, điều khiển lưu lượng. Tác động P+I +D được dùng để điều khiển các thông số thay đổi chậm như điều khiển nhiệt độ, điều khiển độ pH, điều khiển nồng độ. Việc lựa chọn các thông số đặt trưng cho mỗi khâu thông thường được căn cứ vào hàm truyền của quá trình. Ngày nay có một số bộ điều khiển hiện đại có thể tự động lựa chọn các khâu điều khiển và kể cả việc thiết đặt các thông số đặt trưng cho từng khâu. Bảng sau trình bày kinh nghiệm lựa chọn khâu điều kiển và các thông số đặc trưng cho mỗi khâu ứng với từng quá trình cụ thể ứng dụng trong mô phỏng động của phần mềm HysysDynamic Bảng 14 : Khoảng kinh nghiệm các khâu của PID[32] Qúa trình Kp Ti (phút) Td (phút) Điều khiển nhiệt độ 2-10 2-10 0-5 Điều khiển áp suất 2-10 2-10 Không sử dụng Điều khiển mức (khâu P) 2 Không sử dụng Không sử dụng Điều khiển mức (khâu PI) 2-10 1-5 Không sử dụng Điều khiển lưu lượng 0.4-0.65 0.05-0.25 Không sử dụng Trên đây là bốn quá trình điều khiển cơ bản, tất cả các vòng điều khiển trong thực tế đều là sự cấu thành của các thành phần trên. Khâu PID rất ít được sử dụng trong thực tế điều khiển quá trình, hầu hết tất cả các quá trình đều có thể điều khiển được bằng khâu PI nếu lựa chọn đúng các thông số đặt trưng. 6.1.5. Hệ thống điều khiển trong nhà máy sản xuất POLYPROPYLEN Hệ thống điều khiển của nhà máy rất phức tạp. Gồm có các bộ điều khiển nhiệt độ , áp suất, nồng độ, khối lượng riêng, lưu lượng…Có thể biểu diễn theo sơ đồ sau. Hình 40 : Sơ đồ hệ thống điều khiển trong nhà máy sản xuất PP 6.1.5.1. Bộ điều khiển lưu lượng : Gồm các thiết bị điều khiển lưu lượng : • Dòng nguyên liệu Propylen • Dòng nguyên liệu hydro • Dòng Xúc tác • Các dòng Propylen vào các thiết bị trao đổi nhiệt. • Dòng nước làm lạnh, nước gia nhiệt. 6.1.5.2. Bộ điều khiển nhiệt độ Gồm các thiết bị điều khiển : • Nhiệt độ các dòng Propylen ra khỏi thiết bị trao đổi nhiệt. • Nhiệt độ các thiết bị phản ứng • Nhiệt độ dòng Polypropylen – Propylen ra khỏi thiết bị hóa hơi Propylen. 6.1.5.3. Bộ điều khiển nồng độ • Thiết bị điều khiển nồng độ hydro trong dòng Propylen. • Điều khiển nồng độ Propylen trong thiết bị phản ứng thông qua điều khiển độ chuyển hóa của phản ứng ( thực tế điều khiển khối lượng riêng của hệ nhũ tương của các thiết bị phản ứng ) 6.1.5.4. Bộ điều khiển mức • Thiết bị điều khiển mức PP trong thiết bị tách. • Thiết bị điều khiển tốc độ dòng khí Propylen ra khỏi thiết bị 6.2. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN MỘT SỐ THÔNG SỐ DÒNG VẬT CHẤT BẰNG HYSIS ( Ở đây ta chỉ lấy một ví dụ về cách điều khiển các thông số dòng vật chất qua thiết bị trao đổi nhiệt ) Cụ thể ta xét quá trình và phương pháp điều khiển nhiệt độ dòng Propylen ra khỏi thiết bị trao đổi nhiệt trước khi vào thiết bị phản ứng thứ hai ( R2 ) Gồm có các bước sau : 6.2.1. Tiến hành và hoàn tất mô phỏng tỉnh quá trình trao đổi nhiệt của dòng Propylen : Hình 41 :Thiết bị trao đổi nhiệt 6.2.2. Xây dựng hệ thống điều khiển PID cho thiết bị : Gồm có các thiết bị điều khiển như sau :  FIC-100 : Thiết bị điều khiển lưu lượng hơi thấp áp vào thiết bị trao đổi nhiệt thông qua độ mở van VLV-101.  FIC-101 : Thiết bị điều khiển lưu lượng dòng Propylen vào thiết bị trao đổi nhiệt thông qua điều khiển độ mở van VLV-100.  TIC-100 : Thiết bị điều khiển nhiệt độ dòng Propylen ra khỏi thiết bị trao đổi nhiệt thông qua điều khiển độ mở van VLV-101. Hình 42 :Hệ thống điều khiển thiết bị trao đổi nhiệt • Cách thức thiết lập một thiết bị điều khiển: Trên thanh công cụ Case (Main) Click vào Control Ops → PID Controller. Double click vào thiết bị để nhập các thông số điều khiển. Hình 43 :Xây dựng hệ thống điều khiển Trong phần Connections tại mục Process Variable Source chọn biến điều khiển là nhiệt độ dòng PRO11 như sau Hình 44 :Xác lập biến điều khiển Tại mục Output Target Object chọn đối tượng thay đổi (là độ mở van VLV- 102). Trong phần Parameters điền các thông số Kc, Ti, Td, khoảng giá trị nhiệt độ tối thiểu, tối đa. Tương tự ta thiết lập các thiết bị điều khiển còn lại FIC-100, FIC-101. Sau khi xây dựng hệ thống các thiết bị điều khiẻn ta kích chuột vào nút Dynamics Assistant trên thanh công cụ và chọn Make Change→ Finish. Sau đó vào Tool → Chọn Databook (hoặc Ctrl D), Tại mục Variables → insert các dòng vật chất như sau : Hình 45 :Quá trình điều khiển Tại mục Strip Chats ta đánh dấu tick vào các mục đã chọn và kích vào Strip Charts để hiển thị đường biều diễn sự thay đổi nhiệt độ, lưu lượng… khi các biến còn lại thay đổi. Cuối cùng kích vào nút Intergrator active trên thanh công cụ (hoặc vào Simulation → Intergrator) để chuyển qua trạng thái mô phỏng động. Ta xem như hoàn tất việc mô phỏng động của một thiết bị. Tương tự ta có thể mô phỏng động sự thay đổi các thông số của tất cả các thiết bị còn lại. Hình 46 :Hệ thống điều khiển thiết bị trao đổi nhiệt Tương tự ta có thể tiến hành mô phỏng động để xây dựng hệ thống điều khiển các thiết bị còn lại. Vì số liệu còn chưa chính xác so với thực tế nên chưa thể mô phỏng động toàn bộ nhà máy cùng một lúc mà chỉ có thể xây dựng hệ thống điều khiển của từng thiết bị và từng khu vực trong nhà máy. Tài liệu tham khảo của Chương I [1] Propylene Recovery Unit. Thế Nghĩa, Tình hình và triển vọng phát triển ngành Hóa dầu trên thế giới, Tập Chí Công Nghiệp Hoá Chất, số 08 – 2003, [ [2] [3] [4] Người dịch Nguyễn Đức Chung, Hoá Học Hữu Cơ Hiện Đại. NXB Khoa học và Kỹ thuật, 1981. GS.TS. Phan Minh Tân, Tổng hợp hữu cơ và Hoá dầu, tập I. NXB - ĐHQG TP.Hồ Chí Minh. [5] Handbook-Propylene Polymers.pdf. [6] [7], [ 8 ], [ 9 ] Hoàng Nhâm, Hoá học vô cơ, tập I. Nhà xuất bản Giáo dục, 2000. [10] Handbook-Propylene Polymers. [11], [12] [13] Jean – Maire BÉCHET – Polypropylènes. [14] [15] Jean – Maire BÉCHET – Polypropylènes. [16] [17], [18], [19], [20] Handbook-Propylene Polymers.pdf. [21] Người dịch Phạm Duy Phúc – Công nghệ sản xuất polypropylene và qui trình vận hành nhà máy- Trường cao đẳng dạy nghề Vùng Tàu. [22] Handbook-Propylene Polymers.pdf. [23] Chương 4-Tài liệu nghiên cứu tiền khả thi dự án xây dựng phân xưởng Polypropylene của PetroVietnam. [24] Jean – Maire BÉCHET – Polypropylènes. [25], [26], [27], [28], [29] Chương 4-Tài liệu nghiên cứu tiền khả thi dự án xây dựng phân xưởng Polypropylene của PetroVietnam. [30] Tài liệu tham khảo của phần mềm Hysys [31] Tổng quan về hệ thống điều khiển trong nhà máy lọc dầu của Nguyễn Đình Lâm. [32] Tài liệu tham khảo của phần mềm Hysys (Hysys v2.4.1.3870 Add. Ons /training / PDFs/training /Current /DS+PC7). KẾT LUẬN Qua gần bốn tháng tìm hiểu, phân tích và tiến hành mô phỏng, đến nay tôi đã hoàn thành nhiệm vụ đồ án được giao với đề tài “Tổng quan công nghệ và thiết kế mô phỏng phân xưởng sản xuất Polypropylene của nhà máy lọc dầu Dung Quất bằng phần mềm Hysic”.  Nhìn chung Đề tài này đã giải quyết được một số vấn đề sau. • Tổng quan các công nghệ sản xuất Polypropylene. • So sánh, lựa chọn và đề nghị quy trình công nghệ thích hợp. • Nắm bắt được các Phương pháp tiếp cận và sử dụng phần mềm Hysys trong mô phỏng công nghệ sản xuất, đặc biệt là mô phỏng thiết bị phản ứng và các cấu tử giả. • Tính toán, thiết kế các thông số kỹ thuật của các thiết bị trong phân xưởng. • Xây dựng hệ thống điều khiển và điều khiển các thông số của các dòng vật chất và các thiết bị.  Những hạn chế của đề tài: • Đề tài còn mới mẽ và bản thân còn thiếu nhiều kiến thức thực tế. • Các số liệu chưa thực tế do ở Việt Nam chưa có Nhà máy sản xuất Polypropylen. • Vì số liệu còn chưa chính xác so với thực tế nên chưa thể mô phỏng động toàn bộ nhà máy cùng một lúc • Các thiết bị trong Hysic tính toán không sát với thực tế. Do đó độ chính xác không cao.  Hướng phát triển của đề tài • Tính thiết kế mặt bằng, các công trình phụ trợ và tính kinh tế cho toàn nhà máy. • Phát triển mô phỏng cho hệ nhiều monomer (comonomer), mở rộng cho các quá trình trùng hợp khác. • Mô phỏng động cùng lúc toàn bộ phân xưởng khi các thông số thay đổi. • Tối ưu hoá thiết kế quá trình sản xuất các polymer từ các olefine. 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 phầm mềm Hysys, chưa tìm hiểu được quy trình công nghệ của xưởng phụ trợ cũng như chưa tính toán các thông số vận hành tối ưu, chưa tính thiết kế cho tất cả các thiết bị của sơ đồ mô phỏng xưởng sản xuất Polypropylen. Việc hoàn thành đồ án tốt nghiệp đã giúp em ôn lại nhiều kiến thức mà thầy cô đã truyền đạt. Tiếp cận và tìm hiểu phần mềm mới đã giúp em tích lũy được nhiều kỹ năng trong việc sử dụng phần mềm để mô phỏng và tính toán công nghệ của quá trình. Qua đồ án này em thấy rằng phần mềm Hysys là phần mềm có ứng dụng rất quan trọng trong lĩnh vực dầu khí, thông qua nó người mô phỏng như cảm thấy đang làm việc với các thiết bị trong thực tế. Tuy nhiên. khi đi vào thực tế công việc này là một công trình đồ sộ, nằm ngoài phạm vi đồ án tốt nghiệp. Hơn nữa, do hạn chế về kiến thức và thời gian, nên đồ án của em không tránh khỏi những sai sót. Kính mong nhận được sự phê bình, góp ý của quí thầy cô và các bạn để đề tài ngày càng được hoàn thiện. Em xin chân thành cảm ơn quí thầy cô trong Trường, Khoa Hoá, Ngành Công nghệ Hóa học - Dầu và Khí của Trường ĐHBK- ĐH Đà Nẵng, đặc biệt là Thầy TS. Nguyễn Đình Lâm đã dành nhiều thời gian hướng dẫn tận tình, giúp em thực hiện và hoàn thành đồ án tốt nghiệp này.