Máy nén và máy giãn

trong một cấp, thì đường nén được biểu thị bằng đường đa biến có n > k: 1-2. Khi nén cũng ở trong khoảng áp suất ấy, ở 2 cấp được biểu thị bằng đường gấp khúc 1’-2’-1”-2”, được tạo bởi 2 đường đa biến 1’-2’ và 1”-2” và một đường đẳng áp 2’-1”, là quá trình làm lạnh ở thiết bị lạnh giữa cấp với áp suất cấp pc = const. Trong 2 đồ thị, năng lượng là vùng diện tích được gạch ngang 1”-2’-2-2”. Trong máy nén hiện đại, người ta sử dụng: Làm lạnh máy nén bằng cách đưa nước vào khoang được làm đặc biệt ở trong vỏ đúc gọi là làm lạnh trong. Phương pháp này hiệu quả đáng kể điều kiện tra dầu mỡ của máy nén piston. Còn bằng phương pháo này muốn tiết kiệm năng lượng và đưa quá trình nén về đẳng 15 nhiệt không thực hiện được. Nguyên nhân là điều kiện trao đổi nhiệt giữa các dòng khí và nước lạnh gặp khó khăn. Làm lạnh ở trong thiết bị lạnh được đặt ở giữa hai cấp riêng rẽ gọi là làm lạnh ngoài. Với phương pháp này sử dụng thiết bị lạnh dạng ống có bề mặt tiếp xúc lớn có thể thu được năng lượng tiêu hao 1 phần giúp tiết kiệm năng lượng. Trong các máy nén ly tâm, các thiết bị lạnh thường được phân bố giữa có nhóm cấp để làm đơn giản kết cấu của thiết bị. Làm lạnh liên hợp là kết hợp cả làm lạnh trong và làm lạnh ngoài. Phương pháp này có tính hiệu quả lớn nhất và được sử dụng rất rộng rãi mặc dù kết cấu phức tạp và làm tăng giá thiết bị. Làm lạnh bằng sự phun nước lạnh vào dòng khí trước cấp thứ nhất của máy nén. Với phương pháp này nhiệt lượng khí được tiêu hao từng phần để làm bay hơi nước làm lạnh và nhiệt độ cuối quá trình nén bị giảm khá nhiều. Nhược điểm của phương pháp này là làm ẩm khí do đó trong một số trường hợp không thể dùng được. 3. Máy giãn và ứng dụng của máy nén/máy giãn trong HYSYS 3.1. Khái niệm chung máy giãn a, Định nghĩa Máy giãn (Expander) là thiết bị được sử dụng để làm giảm áp của dòng khí vào có áp suất cao để tạo ra dòng ra với áp suất thấp và vận tốc nhanh. Quá trình giãn nở bao gồm quá trình chuyển nội năng của khí sang động năng và cuối cùng là sang công có ích. Expander sẽ tính toán các tính chất khác của dòng hoặc hiệu suất giãn nở. b, Nhiệt động học máy giãn Các định luật nhiệt động điều khiển quá trình hoạt động của Máy nén và máy giãn (Expander) là giống nhau, nhưng hướng của dòng năng lượng là ngược nhau. Quá trình nén yêu cầu năng lượng, trong khi quá trình giãn nở giải phóng năng lượng. 3.2. Ứng dụng tính toán, thiết kế trong Hysys Có một vài phương pháp để thiết kế, tính toán Máy nén/Expander, phụ thuộc vào các thông tin biết trước hoặc có thể dùng phương pháp đồ thị. Nói chung, phương pháp giải là hàm số của dòng, sự thay đổi áp suất, năng lượng và hiệu suất đặt vào. Công cụ Máy nén/Expander của HYSYS có tính linh hoạt cao với các thông số được cung cấp và những thông số sẽ được tính toán. Cần phải chắc chắn rằng các thao tác thực hiện không kích hoạt quá nhiều các lựa chọn giải pháp hoặc các thao tác đó không thống nhất về kết quả. 16 Các phương pháp giải quyết điển hình: Không dùng đồ thị Dùng đồ thị 1. Lưu lượng dòng và áp suất dòng vào đã biết 2. Định rõ áp suất dòng ra 3. Định rõ hiệu suất đoạn nhiệt và đa hướng 4. HYSYS sẽ tính toán các năng lượng yêu cầu, nhiệt độ dòng ra và các hiệu suất khác 1. Lưu lượng dòng và áp suất dòng vào đã biết 2. Định rõ tốc độ vận hành 3. HYSYS sử dụng đồ thị để xác đinh hiệu suất và áp suất 4. HYSYS tính toán áp suất, nhiệt độ và năng suất đặt vào dòng ra 1. Lưu lượng dòng và áp suất dòng vào đã biết 2. Định rõ hiệu suất và năng suất HYSYS sẽ tính áp suất, nhiệt độ, và các hiệu suất khác của dòng ra 1. Lưu lượng dòng, áp suất dòng vào, và hiệu suất đã biết. 2. HYSYS nội suy đồ thị để xác định tốc độ, và áp suất vận hành. 3. HYSYS tính áp suất, nhiệt độ, và công suất đặt vào dòng ra. Đối với máy nén, hiệu suất đẳng entropy được tính bằng tỷ số của năng lượng đẳng entropy yêu cầu cho quá trình nén với năng lượng yêu cầu thực tế 𝐸𝑓𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑦 (%) = 𝑃𝑜𝑤𝑒𝑟 𝑅𝑒𝑞𝑢𝑖𝑟𝑒𝑑𝑖𝑠𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜𝑝𝑖𝑐 𝑃𝑜𝑤𝑒𝑟 𝑅𝑒𝑞𝑢𝑖𝑟𝑒𝑑𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙 𝑥100% Đối với thiết bị Expander, hiệu suất được cho là tỷ số của năng lượng thực tế được tạo ra trong quá trình giãn với năng lượng tạo ra trong một quá trình giãn đẳng entropy Đối với thiết bị Compressor hay Expander đoạn nhiệt, HYSYS tính toán quá trình nén (hoặc giãn) một cách chặt chẽ theo đường đẳng entropy từ áp suất dòng ra đến dòng vào. Sử dụng enthalpy tại điểm đó, ngay lập tức hiệu suất được xác định, sau đó HYSYS sẽ tính được enthalpy dòng ra thực tế. Từ giá trị này và áp suất dòng ra, nhiệt độ dòng ra sẽ được xác định. 𝐸𝑓𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑦 (%) = 𝑃𝑜𝑤𝑒𝑟 𝑅𝑒𝑞𝑢𝑖𝑟𝑒𝑑𝑖𝑠𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜𝑝𝑖𝑐 𝑃𝑜𝑤𝑒𝑟 𝑅𝑒𝑞𝑢𝑖𝑟𝑒𝑑𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙 𝑥100% Đối với Compressor hay Expander đa hướng, đường dẫn của dòng vừa đoạn nhiệt lại vừa đẳng nhiệt. Với quá trình hiệu suất 100%, chỉ có điều kiện cơ học có tính khả nghịch. Đối với quá trình bất thuận nghịch, hiệu suất đa hướng sẽ nhỏ hơn 100%. Phụ thuộc vào quá trình là giãn hay nén, HYSYS xác định cho quá trình thuận nghịch cơ học là nhân hay chia 17 với một hiệu suất để đưa ra giá trị làm việc thực tế. Biểu thức của hiệu suất đa hướng được cho giống như các phương trình ở trên. Ghi nhớ rằng tất cả các đại lượng nhiệt động học được xác định bằng cách sử dụng hệ nhiệt động phù hợp. Nhìn chung, công của quá trình cơ học thuận nghịch có thể xác định bằng biểu thức: 𝑊 = ∫ 𝑉𝑑𝑃 Giống như các thiết bị vận hành khác, các thông tin được tính toán phụ thuộc vào các thông tin mà người sử dụng cung cấp. Trong trường hợp áp suất, nhiệt độ dòng vào và dòng ra của dòng khí được biết trước, năng lượng (đẳng entropy) lý tưởng của thiết bị được tính toán bằng cách sử dụng một trong các phương trình trên, phụ thuộc vào từng loại Máy nén hay Expander. Năng lượng thực tế tương đương với sự khác biệt của dòng nhiệt (Enthalpy) giữa dòng vào và dòng ra. Đối với máy nén: Power Requiredactual = Heat Flowoutlet – Heat Flowinlet Hiệu suất của Máy nén sau đó được xác định bằng tỷ số của năng lượng đẳng Entropy với năng lượng thực tế được yêu cầu đối với quá trình nén. Đối với Expander: Power Producedactual = Heat Flowintlet – Heat Flowoutlet Hiệu suất của Expander được xác dịnh bằng tỷ số của năng lượng thực tế tạo ra bởi dòng khí với năng lượng đẳng Entropy. Trong trường hợp áp suất dòng vào, áp suất dòng ra, nhiệt độ dòng vào và hiệu suất biết trước, năng lượng đẳng Entropy một lần nữa lại được tính bằng cách sử dụng phương trình gần đúng. Năng lượng thực tế được yêu cầu bởi Máy nén (sự khác biệt Enthalpy giữa dòng vào và dòng ra) được tính bằng cách chia năng lượng lý tưởng cho hiệu suất máy nén. Nhiệt độ dòng ra sau đó được xác định một cách chặt chẽ từ Enthalpy dòng ra của khí sử dụng biểu thức enthalpy bắt đầu từ phương pháp đặc tính được sử dụng. Đối với quá trình nén hoặc giãn đẳng entropy (hiệu suất 100%), nhiệt độ dòng ra của khí sẽ luôn luôn thấp hơn nhiệt độ dòng ra cho quá trình nén hay giãn thực tế. Sử dụng các phương trình Nếu Compressor được chọn, các biểu thức của máy nén được sử dụng. Nếu Expander được lựa chọn thì các phương trình expander được sử dụng. Hiệu suất máy nén 18 Các hiệu suất đoạn nhiệt và đa biến được bao gồm trong các phép tính của máy nén. Phép tính nhanh đẳng Entropy (Pin and Entropyin) được biểu diễn bên trong để nhận được các tính chất lý tưởng (đẳng entropy). Hiệu suất Expander Đối với thiết bị Expander, các hiệu suất là một phần của các phép tính toán Expander, và phép tính nhanh đẳng entropy cũng được biểu diễn. Phép tính này được thực hiện ngay trên dòng Expander. Áp suất máy nén Các áp suất đoạn nhiệt và đa biến được sử dụng sau khi các phép tính cho máy nén hoàn thành, khi lựa chọn trang “Results” của máy nén. Yêu cầu thực tế là khai báo dòng năng lượng máy nén (dòng nhiệt). Áp suất đa biến được tính toán dựa trên phương pháp ASME (“The Polytropic Analysis of Centrifugal Compressors”, Journal of Engineering for Power, J.M. Schultz, January 1962, p. 69-82). 19 Áp suất Expander Các áp suất đoạn nhiệt và đa biến được sử dụng sau khi các phép tính expander được hoàn thành, khi lựa chọn trang “Results” của expander. Công tạo ra thực tế là dòng năng lượng của Expander. 20 Tài liệu tham khảo 1. GS. Nguyễn Bin. Các quá trình,thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm, tập 1. NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2007. 2. Perry’s Chemical Engineers' Handbook, 8th Edition, McGraw-Hil, 2008. 3. Visual Encyclopedia of Chemical Engineering Equipments. MIT, 2001.