Đang tải... (xem toàn văn)
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: - Xây dựng công cụ giải mô hình bám bẩn cho thiết bị truyền nhiệt dạng vỏ ống trong mạng lưới gia nhiệt dầu thô bằng MATLAB - Xây dựng công cụ giải mô hình bám bẩn cho thiết bị truyền nhiệt dạng tấm trong các hệ thống nước làm mát bằng MATLAB - Thiết lập liên kết giữa công cụ giải mô hình bám bẩn của MATLAB và công cụ mô phỏng thiết bị trao đổi nhiệt của HYSYS - Kiểm ưa kết quả của các công cụ dự đoán tình ưạng bám bẩn
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỊ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC HUỲNH THIỆN ÂN PHÁT TRIỀN CƠNG CỤ DỰ ĐỐN TÌNH TRẠNG BÁM BẨN CỦA THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT DẠNG VỎ ỐNG TRONG MẠNG LƯỚI THIẾT BỊ GIA NHIỆT DẦU THÔ VÀ THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT DẠNG TẤM TRONG CÁC HỆ THỐNG NƯỚC LÀM MÁT Chuyên ngành: KỸ THUẬT HÓA HỌC Mã sá: 60520301 LUẬN VĂN THẠC sĩ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 08 năm 2018 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -ĐHQG -HCM Cán hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Thành Duy Quang Cán chấm nhận xét 1: TS Hoàng Minh Nam Cán chấm nhận xét 2: TS Lưu Xuân Cường Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP HCM ngày 07 tháng 08 năm 2018 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: GS TSKH Lưu Cẩm Lộc TS Hoàng Minh Nam TS Lưu Xuân Cường TS Đào Thị Kim Thoa TS Phạm Hồ Mỹ Phương Xác nhận Chủ tịch Hộỉ đồng đảnh giả luận văn Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khỉ luận văn sửa chữa (nếu cố) CHỦ TỊCH HỘI ĐỊNG TRƯỞNG KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự - Hạnh phúc KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Huỳnh Thiện Ân MSHV: 1670185 Ngày, tháng, năm sinh: 18/11/1987 Nơi sinh: TP HCM Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học MN: 60 52 03 01 1- TÊN ĐỀ TÀI: PHÁT TRIỂN CƠNG CỤ DỰ ĐỐN TÌNH TRẠNG BÁM BẨN CỦA THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT DẠNG VỎ ỐNG TRONG MẠNG LƯỚI THIẾT BỊ GIA NHIỆT DẦU THÔ VÀ THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT DẠNG TẤM TRONG CÁC HỆ THỐNG NƯỚC LÀM MÁT 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: - Xây dựng cơng cụ giải mơ hình bám bẩn cho thiết bị truyền nhiệt dạng vỏ ống mạng lưới gia nhiệt dầu thô MATLAB - Xây dựng cơng cụ giải mơ hình bám bẩn cho thiết bị truyền nhiệt dạng hệ thống nước làm mát MATLAB - Thiết lập liên kết công cụ giải mơ hình bám bẩn MATLAB cơng cụ mô thiết bị trao đổi nhiệt HYSYS - Kiểm ưa kết công cụ dự đốn tình ưạng bám bẩn 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 15/01/2018 4- NGÀY HOÀN THÀNH NIIIẸM VỤ : 17/06/2018 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN THÀNH DUY QUANG Nội dung đề cương Luận văn thạc sĩ Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua CÁN BỘ HƯỞNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN KHOA QL CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy TS Nguyễn Thành Duy Quang, người định hướng, hướng dẫn truyền đạt tận tình nhiều kiến thức cho em suốt trình thực luận văn Em gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP.HCM tạo điều kiện cho em suốt trình học tập trường Em gửi lời cảm ơn đến bố, mẹ tạo điều kiện động viên suốt trình học tập Trường Đại học Bách Khoa Cuối cùng, cảm ơn người vợ hiền bên chồng, hỗ trợ động viên suốt hai năm học tập thực luận văn Học viên thực Huỳnh Thiện Ân TĨM TẮT LUẬN VĂN Cơng cụ dự đốn tình trạng bám bẩn thiết bị truyền nhiệt dạng vỏ ống thiết bị truyền nhiệt dạng xây dựng dựa mơ hình bám bẩn tổng qt, kết hợp mơ hình bám bẩn Panchal cộng (1997) (1) mơ hình lão hóa Ishiyama cộng (2010) (2) nhằm bao quát giai đoạn tượng bám bẩn, phương trình nhiệt động lực học tương ứng với loại thiết bị / = aRe~°-66Pr~°-33exp f f ì - yr (1) dt \RgTfJ Ấ = Ấ°° + [Ấ° - Ằm]Ỵoexp(—kti) (2) Cơng cụ có khả xác định hệ số phương trình tương ứng với liệu hoạt động thời gian khảo sát thiết bị truyền nhiệt công cụ Genetic Algorithm phần mềm MATLAB, dự đốn tình trạng bám bẩn tương lai thiết bị thể qua phát triển nhiệt trở bám bẩn, Rf, theo thời gian Khả liên kết cơng cụ dự đốn với chương trình mơ quy trình cơng nghệ phần mềm HYSYS cho phép đặc tính vật lý dòng q trình nhập tự động vào cơng cụ dự đốn kết dự đốn đưa trực tiếp vào mơ hình thiết bị truyền nhiệt Từ đó, xác định ảnh hưởng tình trạng bám bẩn thiết bị truyền nhiệt quy trình cơng nghệ tồn hệ thống trao đổi nhiệt Kết cho thấy số liệu dự đốn cơng cụ tn theo quy luật phát triển tượng bám bẩn phù hợp với liệu thực tế thiết bị truyền nhiệt ii i ABSTRACT The software tool for predicting fouling of shell and tube heat exchanger and gasketed-plate heat exchanger is developed basing on the combination of the fouling model of Panchai et al in 1997 (1) and the aging model of Ishiyama et al in 2010 (2), that capture all of the stages of fouling process, and relating equations of each type of heat exchanger / = aRe~°-66Pr~°-33exp f f i - yr (1) dt \RgTfJ A = A°° + [A° - Am]roexp(—kti) (2) The software program utilizes Genetic Algorithm toolbox in MATLAB to determine the fouling model’s coefficients according to the operation data of heat exchangers, and predicts the fouling of the equipment via the development of fouling resistance, Rf, over time The connection of MATLAB and Aspen HYSYS allows to send automatically dimensions of heat exchanger and physical properties of hot and cold streams to the software tool, and the prediction result of fouling resistance to the simulation software Therefore, determining the effects of fouling of heat exchanger on the entire system The results of the study show that the development of fouling resistance is following the fouling curves and matching the operation data of heat exchangers LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan luận văn nghiên cứu cá nhân tác giả đuợc thục duới sụ huớng dẫn thầy TS Nguyễn Thành Duy Quang, Khoa Kỹ Thuật Hóa Học, Truờng Đại Học Bách Khoa Đại Học Quốc Gia TP HCM Số liệu, kết nghiên cứu kết luận luận văn hoàn toàn trung thục, chua đuợc cơng bố cơng trình khác truớc Tác giả xin chịu trách nhiệm nghiên cứu TP Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2018 Tác giả Huỳnh Thiện Ân 1 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN I LỜI CAM ĐO AN _n TÓM TẤT LUẬN VĂN m ABSTRACT _IV MỤC LỤC _V DANH MỤC HÌNH vm DANH MỤC BẢNG _X DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU XI LỜI MỞĐẰU _1 CHƯƠNG TỐNG QUAN 1.1 TÌNH TRẠNG BÁM BẦN CỦA THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT 1.1.1 Tình trạng bám bẩn 1.1.2 Các dạng bám bẩn 1.1.3 Cơ chế tượng bám bẩn 1.1.4 Đường cong biểu diễn trình bám bẩn 11 1.1.5 Ảnh hưởng tình trạng bám bẩn đến thiết bị truyền nhiệt 13 1.2 M ẠNG LƯỚI GIA NHIỆT DẦU THÔ 14 1.2.1 Mạng lưới gia nhiệt đầu thô 14 1.2.2 Thiết bị truyền nhiệt dạng vỏ ống .15 1.2.3 Ảnh hưởng tình trạng bám bẩn 15 1.3 HỆ THÔNG NƯỚC LÀM MÁT .19 1.3.1 Hệ thống nước làm mát .19 1.3.2 Thiết bị truyền nhiệt dạng tẩm 19 1.3.3 Ảnh hưởng tình trạng bám bẩn 25 1.5 MƠ HÌNH BÁM BẦN CỦA THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT 26 1.5.1 Giới thiệu sổ mơ hình bẩm bấn 26 1.5.2 Mô hình lão hóa lớp bám bẩn 31 1.6 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU .32 CHƯƠNG THựC NGHIỆM _33 2.1 CÔNG CỤ PHÀN MỀM 33 2.1.1 Phàn mềm MATLAB 33 2.1.2 Phần mềm Aspen HYSYS 33 2.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN cứu .34 2.2.1 Phương trình vỉ phần thường (Ordinary Differential Equation - ODE) 34 2.2.2 Giải thuật di truyền (Genetic Algorithm - GA) 35 2.2.3 Các phương trình tinh tốn thiết bị truyền nhiệt dạng vỏ 36 2.2.4 Các phương trình tinh tốn thiết bị truyền nhiệt dạng cỏ vồng đệm (Gasketed-plate heat exchanger) 38 2.2.5 Khả tự động hổa MATLAB 43 2.3 NỘI DUNG NGHIÊN cứu 46 2.3.1 Xây dựng mơ hình bám bẩn cho thiết bị truyền nhiệt dạng vó ong mạng lưới gia nhiệt dầu thơ 46 2.3.2 Xây dựng mơ hình bám bẩn cho thiết bị truyền nhiệt dạng hệ thống nước làm mát .47 2.3.3 Giải mơ hình bẩm bẩn cho thiết bị truyền nhiệt dạng vỏ ống mạng lưới gia nhiệt dầu thô 49 2.3.4 Giải mô hình bám bẩn cho thiết bị truyền nhiệt dạng hệ thống nước làm mát 54 2.3.5 Thiết lập liên kết mơ hình bám bấn thiết bị truyền nhiệt với chương trình mơ HYSYS 57 CHƯƠNG KÉT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN _58 3.1 DựĐỐN TÌNH TRẠNG BÁM BÂN CỦA THIẾT BỊ TRAO ĐÔI NHIỆT DẠNG VỎ ỐNG TRONG MẠNG LƯỚI GIA NHIỆT DẦU THÔ 58 3.1.1 Bộ phận chưng cất khí dầu thơ .58 3.1.2 Các hệ sổ mơ hình bám bẩn .61 3.1.3 Dự đốn tình trạng bẩm bấn thiết bị truyền nhiệt dạng vỏ 63 3.1.4 Khảo sát khả áp dụng mô hình thiết bị hoạt động khoảng thời gian 65 3.1.5 Kết luận .66 3.2 Dự ĐỐN TÌNH TRẠNG BÁM BẨN CỦA THIẾT BỊ TRAO ĐÔI NHIỆT DẠNG TẤM TRONG CÁC HỆ THỐNG NƯỚC LÀM MÁT 68 3.2.1 Thiết bị truyền nhiệt dạng tẩm sử dụng nước làm mát .68 3.2.2 Xác định hệ số mơ hình bám bẩn 70 3.2.3 Dự đoản tình trạng bám bẩn thiết bị truyền nhiệt dạng 71 3.2.4 Kết luận .72 3.3 SO SÁNH TÌNH TRẠNG BÁM BẨN CỦA THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT DẠNG VỎ ỐNG VÀ THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT DẠNG TẤM 73 CHƯƠNG KẾT LUẬN .74 TÀI LIỆU THAM KHẢO 75 PHỤ LỤC 78 Trong đó, Ut hệ số truyền nhiệt tổng quát thời điểm khảo sát t > ti Tương tự Rf, ARf hàm chuẩn số Re Pr, ứng suất xé vách truyền nhiệt T theo phương trình (1-8) Do đó, mơ hình bám bẩn (phương trình 1- 8) quy trình tính tốn (hình 2-2) có thể: i) xác định hệ số a, p, Ef miêu tả phụ thuộc ARf vào Re, Pr, T theo phương trình (1-8) t G [ti, Í2]; ii) dự đốn ARf (và hệ số truyền nhiệt tổng quát uỉ) t > Í2 Như vậy, mơ hình bám bẩn (phương trình 1-8) quy trình tính tốn (hình 2-2) áp dụng cho hai trường hợp: • Uo,clean thơng số hoạt động thiết bị truyền nhiệt thời điểm t = có sẵn: mơ hình xác định hay dự đoán nhiệt trở bám bẩn Rf hệ số truyền nhiệt tổng quát Ut thời điểm t> ũ • Uo,clean thơng số hoạt động thiết bị truyền nhiệt thời điểm t = khơng có sẵn: mơ hình xác định hay dự đoán gia tăng nhiệt trở bám bẩn ARf hệ số truyền nhiệt tổng quát Ut thời điểm t > ti, với ti thời điểm bắt đầu khảo sát Phần bàn luận với mơ hình bám bẩn cho thiết bị truyền nhiệt dạng tấm, nghĩa mơ hình áp dụng cho hai trường hợp: Uo,clean có sẵn Uo,clean không xác định 2.3.4 Giải mô hình bám bẩn cho thiết bị truyền nhiệt dạng tẩm hệ thống nước làm mát Các giả thuyết đặt để giải mơ hình bám bẩn cho thiết bị truyền nhiệt dạng bao gồm: • Hiện tưởng bám bẩn xảy toàn bề mặt truyền nhiệt bề dày lớp bám bẩn đồng vị trí • Hiện tượng bám bẩn xảy phía dòng lạnh, tức dòng nước làm mát thiết bị truyền nhiệt Do đó, nhiệt trở bám bẩn dòng nóng, Rfti = • Trong q trình khảo sát, vận tốc tính chất vật lý dòng lưu chất thiết bị truyền nhiệt khơng đổi theo nhiệt độ • Tại thời điểm bắt đầu khảo sát, t = 0, thiết bị xem sạch, nghĩa hồn tồn khơng có tượng bám bẩn hệ số truyền nhiệt tổng quát ban đầu, Uo, hệ số truyền nhiệt tổng qt thiết bị sạch, hồn tồn khơng bị bám bẩn, Uciean • Nhiệt hở bám bẩn gia tăng theo thời gian thời điểm ban đầu, Rfc0, xem Mơ hình bám bẩn thiết bị truyền nhiệt dạng giải MATLAB theo bước sau: Bước 1: Phân tích loại bỏ giá trị bất thường liệu ban đầu dòng nóng dòng lạnh vận tốc nhiệt độ theo thời gian Sử dụng quy tắc “giới hạn sigma” để loại giá trị vận tốc bất thường khỏi trình tính tốn Cơng suất nhiệt dòng nóng dòng lạnh sử dụng để loại sai số trình đo nhiệt độ theo phương trình (2-46) với giới hạn (p = 20% Các giá trị nhiệt độ có (p > 20% xem sai số đo đạc khơng đưa vào phần tính tốn Bước 2: Tính tốn giá trị nhiệt trở bắm bắn thực tế, Rfc,của thiết bị thời gian khảo sát Theo giả thuyết, giá trị hệ số truyền nhiệt tổng quát thời điểm ban đầu, Uo = Udean hệ số truyền nhiệt tổng quát tình trạng bám bẩn, Ufouied, tính theo phương trình (2-15) Với giả thuyết tình trạng bám bẩn xảy phía dòng nước làm mát, từ phương trình (2-17) (2-18), nhiệt trở bám bẩn dòng lạnh tính theo phương trình sau: 11 ~ TJ u fouled '-’clean Theo giả thuyết gia tăng nhiệt trở bám bẩn, giá trị Rfc < bị loại Bước 3: Sử dụng công cụ giải thuật di truyền MATLAB để xác định hệ số mô hĩnh bám bẩn thiết bị truyền nhiệt dạng Phương trình (2-48) sử dụng làm hàm đánh giá (fitness function) giải thuật di truyền MATLAB để xác định năm hệ số mô hình bám bẩn, Ef, a, y, Ea, A, theo phương trình (2-29), (2-38), (2-44) (2-45) Bước 4: Dự đoản tình trạng bám bẩn thiết bị truyền nhiệt dạng Từ kết bước 3, giá trị nhiệt trở bám bẩn, Rf, theo thời gian thiết bị truyền nhiệt dự đoán sử dụng cơng cụ giải phương trình vi phân thường MATLAB để giải mơ hình bám bẩn • Độ lệdi Ệhuĩũ Lim tốc tnniỊL binh ũ - Giời IbẠii rtrêíE ũ + 3ff Giói fụn diíỡj ũ - 3ơ ộy — ÍÍÍTCPTÙĨ í?s = nijf.pjAI' ọ Ỷ — Ợi *TI 1M p_ ỹ.s% 11 Hình 2-3 Quy trình giải mơ hình bám bẩn cho thiết bị truyền nhiệt dạng Tương tự mơ hình bám bẩn cho thiết bị truyền nhiệt dạng vỏ ống, trường hợp thiết bị hoạt động khoảng thòi gian Ucỉean khơng xác định được, mơ hình áp dụng để xác định dự đoán gia tăng nhiệt trở bám bẩn theo thời gian, ARf, xác định theo phương trình: z ^ỉnítỉaỉ 1 Asay Hình 3-4 Thành phần chưng cất dầu thơ theo tiêu chí TBP Các thông số thiết kế thiết bị truyền nhiệt dạng vỏ ống phận chưng cất khí nêu bảng 3-1 Đây thiết bị cố vỏ, đó, dòng lạnh dầu thơ phần dòng nóng dòng bơm tuần hồn từ tháp chưng cất khí phần vỏ thiết bị truyền nhiệt Bảng 3-1 Các thông sổ thiết kế thiết bị truyền nhiệt dạng vỏ ống [21] Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị Chiều dài ống L m 6.1 Đường kính ngồi ống mm 25.4 Đường kính ống di mm 19.05 Đường kính vỏ Ds mm 1397 Số ống Ị Nữ NT 880 Số hành trình Ị vỏ Np Cơ sở liệu (bao gồm nhiệt độ lưu lượng thề tích) 363 ngày hoạt động thiết bị truyền nhiệt dạng vỏ ống phận chưng cất sử dụng để xác định hệ số mơ hình bám bẩn kiểm tra kết dự doán Hiện tượng giảm lưu lượng thề tích độ ngột hình 3-5 cố thể tác động gia tăng đột biến tình trạng bám bẩn Nhiệt độ lớp màng bám bẩn, 7/, sử dụng mơ hình xác định giá tộ trung bình nhiệt độ đầu vào đầu dòng lạnh chảy truyền nhiệt 500 age*I^r.- - 550 I Al n Ai y$ £ ÍL * Mí 'lí' p \'X ■*' '?r p' s JH j g-dOC / IT —-_ 1í* 350 tf FT 11 ft ■JUG Shellside Tdae Side SMMdB 250 20C 150 100- t[■Ĩ ‘ft JTr r 4i It V ' J1' jp" ^56 "l ■ * yk Tv It-1 y TRL j * p k trXd Lnl y yi " * 1' •]■'• ■< II tuj