Phương Pháp Phân Tích Exergy Đồ Họa: Giải Pháp Tối Ưu Cho Thiết Kế và Vận Hành Quy Trình Tách

• Tác giả: Khoa Ta Dang
• Người hướng dẫn: Assoc. Shuhaimi Mahadzir
• Trường học: Universiti Teknologi Petronas
• Chuyên ngành: Chemical Engineering
• Đề tài: Graphical Exergy Analysis Method For Optimum Design And Operations Of Separation Processes
• Loại tài liệu: thesis
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Bandar Seri Iskandar

• ACKNOWLEDGEMENTS
• DEDICATION
• ABSTRACT
• ABSTRAK
• COPYRIGHT
• TABLE OF CONTENTS
• 1. CHAPTER 1: INTRODUCTION
• 1.1. The motivation of research
• 1.2. Concept of exergy
• 1.3. Classification of exergy
• 1.4. Objectives of research
• 1.5. Scope of work
• 2. CHAPTER 2: LITERATURE REVIEW
• 2.1. Energy savings techniques for distillation and absorption processes
• 2.2. Pinch technology and graphical methods
• 2.3. Exergy analysis methods
• 2.4. Exergy and economics
• 2.5. Summary of literature review
• 3. CHAPTER 3: METHODOLOGY
• 3.1. Exergy analysis for distillation column
• 3.2. Exergy analysis for absorption column
• 3.3. Investment cost estimation
• 3.4. Operation cost estimation
• 3.5. Application of global energy costing model
• 3.6. Comparison between conventional and global energy costing models
• 3.7. Economics estimation for a process improvement project
• 3.8. Process simulation
• 4. CHAPTER 4: RESULTS AND DISCUSSIONS
• 4.1. Comparison of simulation results
• 4.2. Three dimensional exergy analysis diagram
• 4.2.1. Three dimensional exergy analysis diagram for distillation column
• 4.2.2. Three dimensional exergy analysis diagram for absorption column
• 4.3. Case study 1: Exergy analysis and improvements of xylene distillation column
• 4.3.1. Base case of xylene distillation column
• 4.3.2. Analysis of base case
• 4.3.3. The effects of reflux ratio
• 4.3.4. The effects of feed thermal condition
• 4.3.5. Process improvement options for xylene distillation column
• 4.4. Case study 2: Exergy analysis and improvements of sulphur dioxide absorption column
• 4.4.1. Base case of sulphur dioxide recovery process
• 4.4.2. Analysis of base case
• 4.4.3. The effects of (Lm/Gm) ratio
• 4.4.4. The effects of solvent temperature
• 4.4.5. Process improvement options for sulphur dioxide absorption column
• 4.5. Case study 3: Exergy analysis and improvements of Selexol process
• 4.5.1. Introduction of Selexol process
• 4.5.2. Base case of acid gas removal in the Selexol process
• 4.5.3. Analysis of base case
• 4.5.4. The effects of (Lm/Gm) ratio
• 4.5.5. The effects of reflux ratio
• 4.5.6. The effects of lean solvent temperature
• 4.5.7. The effects of feed thermal condition in distillation column
• 4.5.8. Three dimensional exergy analysis diagrams for columns
• 4.5.9. The effects of (Lm/Gm) and reflux ratios on exergy lost in Selexol process
• 4.5.10. Process improvement options for Selexol process
• 4.5.11. Economic estimation
• 5. CHAPTER 5: CONCLUSIONS AND FUTURE WORKS
• 5.1. Conclusions
• 5.2. Future works
• REFERENCES
• PUBLICATION LISTS
• APPENDIX A: Compositions of feed stream in xylene column
• APPENDIX B: Plant data of process streams in xylene column
• APPENDIX C: HYSYS process model and streams data
• LIST OF FIGURES
• LIST OF TABLES
• ABBREVIATIONS
• NOMENCLATURES

I. Phân Tích Exergy

Phân tích exergy là phương pháp đánh giá hiệu suất năng lượng dựa trên nguyên lý nhiệt động lực học. Phương pháp này tập trung vào việc xác định lượng năng lượng có thể sử dụng (exergy) bị mất mát trong quá trình vận hành. Exergy không chỉ đo lường lượng năng lượng mà còn đánh giá chất lượng năng lượng, giúp tối ưu hóa thiết kế và vận hành các quy trình công nghiệp. Trong nghiên cứu này, phân tích exergy được áp dụng để tối ưu hóa các quy trình tách như chưng cất và hấp thụ, nhằm giảm thiểu tổn thất năng lượng và chi phí vận hành.

1.1. Khái Niệm Exergy

Exergy là lượng công tối đa có thể thu được từ một hệ thống khi nó đạt trạng thái cân bằng với môi trường xung quanh. Khái niệm này giúp đánh giá hiệu suất năng lượng một cách toàn diện, không chỉ dựa trên lượng năng lượng tiêu thụ mà còn xem xét chất lượng năng lượng. Exergy được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp để tối ưu hóa thiết kế và vận hành các quy trình công nghệ.

1.2. Phân Loại Exergy

Exergy được phân loại thành các dạng khác nhau như exergy nhiệt, exergy cơ học, và exergy hóa học. Mỗi loại exergy có vai trò riêng trong việc đánh giá hiệu suất năng lượng của các quy trình công nghiệp. Ví dụ, exergy nhiệt liên quan đến nhiệt độ và áp suất của hệ thống, trong khi exergy hóa học liên quan đến thành phần hóa học của các chất trong quy trình.

II. Đồ Họa Exergy

Đồ họa exergy là công cụ trực quan hóa các kết quả phân tích exergy, giúp nhận diện các điểm tổn thất năng lượng và đề xuất giải pháp tối ưu. Phương pháp này sử dụng các biểu đồ ba chiều để mô tả mối quan hệ giữa các thông số thiết kế, vận hành và tổn thất exergy. Đồ họa exergy đặc biệt hữu ích trong việc tối ưu hóa các quy trình tách như chưng cất và hấp thụ, giúp giảm thiểu chi phí vận hành và nâng cao hiệu suất năng lượng.

2.1. Biểu Đồ Ba Chiều Exergy

Biểu đồ ba chiều exergy là công cụ mạnh mẽ để phân tích và tối ưu hóa các quy trình công nghiệp. Biểu đồ này mô tả mối quan hệ giữa tỷ lệ hồi lưu, số lượng đĩa và hiệu suất đĩa trong quá trình chưng cất. Biểu đồ ba chiều exergy giúp xác định các thông số tối ưu để giảm thiểu tổn thất exergy và nâng cao hiệu suất năng lượng.

2.2. Ứng Dụng Trong Quy Trình Tách

Đồ họa exergy được áp dụng rộng rãi trong các quy trình tách như chưng cất và hấp thụ. Ví dụ, trong quá trình chưng cất xylene, biểu đồ exergy giúp xác định tỷ lệ hồi lưu tối ưu và đề xuất lắp đặt các thiết bị gia nhiệt mới, giúp giảm 15.5% tổn thất exergy và tiết kiệm 26.9% năng lượng.

III. Thiết Kế Tối Ưu

Thiết kế tối ưu là quá trình xác định các thông số thiết kế và vận hành để đạt được hiệu suất năng lượng cao nhất với chi phí thấp nhất. Phương pháp này kết hợp phân tích exergy và đồ họa exergy để đề xuất các giải pháp cải tiến quy trình. Thiết kế tối ưu không chỉ giúp giảm thiểu tổn thất năng lượng mà còn góp phần bảo vệ môi trường thông qua việc giảm phát thải khí nhà kính.

3.1. Tối Ưu Hóa Quy Trình Tách

Tối ưu hóa quy trình tách là quá trình điều chỉnh các thông số như tỷ lệ hồi lưu, nhiệt độ dung môi và số lượng đĩa để đạt được hiệu suất năng lượng cao nhất. Ví dụ, trong quá trình hấp thụ sulfur dioxide, việc giảm nhiệt độ dung môi giúp giảm 22% tổn thất exergy.

3.2. Mô Hình Chi Phí Năng Lượng Toàn Cầu

Mô hình chi phí năng lượng toàn cầu là công cụ mới được đề xuất để tính toán chi phí năng lượng dựa trên cả lượng và chất lượng năng lượng. Mô hình chi phí năng lượng toàn cầu giúp đánh giá chính xác hơn chi phí vận hành và đề xuất các giải pháp tối ưu hóa quy trình.

IV. Vận Hành Tối Ưu

Vận hành tối ưu là quá trình điều chỉnh các thông số vận hành để đạt được hiệu suất năng lượng cao nhất. Phương pháp này kết hợp phân tích exergy và đồ họa exergy để đề xuất các giải pháp cải tiến quy trình. Vận hành tối ưu không chỉ giúp giảm thiểu tổn thất năng lượng mà còn góp phần bảo vệ môi trường thông qua việc giảm phát thải khí nhà kính.

4.1. Tối Ưu Hóa Quy Trình Công Nghiệp

Tối ưu hóa quy trình công nghiệp là quá trình điều chỉnh các thông số vận hành để đạt được hiệu suất năng lượng cao nhất. Ví dụ, trong quá trình Selexol, việc kết hợp đồ họa exergy và mô hình chi phí năng lượng toàn cầu giúp giảm 19.4% tổn thất exergy và tiết kiệm 5.57 triệu USD/năm.

4.2. Ứng Dụng Trong Các Quy Trình Phức Tạp

Vận hành tối ưu được áp dụng rộng rãi trong các quy trình phức tạp như chưng cất và hấp thụ. Ví dụ, trong quá trình Selexol, việc điều chỉnh tỷ lệ hồi lưu và nhiệt độ dung môi giúp giảm thiểu tổn thất exergy và nâng cao hiệu suất năng lượng.