Mô phỏng quá trình công nghệ hóa học bằng hysys năm 2024
|
A remarkable find of siva linga in Mathura of ca. 2nd cent. BCE links the semantics of linga with the metalwork of Bharatam Janam, lit. 'metalcaster folk'. Hieroglyph mukha, 'face' on a siva linga is rebus: muh, 'ingot, quantity of metal taken out of a furnace'. Thus, the mukha linga denotes metalwork smelted out of a furnace. LỜI GIỚI THIỆU Hiện nay trong lĩnh vực công nghệ hoá học có rất nhiều phần mềm mô phỏng của các công ty phần mềm đã được phát triển và sử dụng rộng rãi trong tính toán công nghệ, như: PRO/II, Dynsim (Simsci); HYSIM, HYSYS, HTFS, STX/ACX, BDK (AspenTech); PROSIM, TSWEET (Bryan Research & Engineering); Design II (Winsim); IDEAS Simulation; Simulator 42…, trong đó phổ biến nhất là PRO II, Dynsim (Simsci) và HYSYS (AspenTech). Sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ hoá học trong thế kỷ 21, đòi hỏi mỗi kỹ sư công nghệ cần phải hiểu và sử dụng thành thạo ít nhất một trong số các phần mềm mô phỏng phổ biến trên. HYSYS có cơ sở nhiệt động học rất vững chắc và đầy đủ, khả năng thiết kế linh hoạt, cùng với mức độ chính xác và tính thiết thực của các hệ nhiệt động cho phép thực hiện các mô hình tính toán rất gần với thực tế công nghệ. HYSYS là công cụ mô phỏng công nghệ rất mạnh phục vụ cho nghiên cứu tính toán thiết kế công nghệ của các kỹ sư trên cơ sở hiểu biết về các quá trình công nghệ hoá học. HYSYS đáp ứng các yêu cầu công nghệ nền tảng cơ bản cho mô hình hoá và mô phỏng các quá trình công nghệ từ khai thác tới chế biến trong các nhà máy xử lý khí và nhà máy làm lạnh sâu, cho đến các quá trình công nghệ lọc h oá dầu và công nghệ hoá học. HYSYS rất mạnh trong mô phỏng tĩnh. Ở mức độ cơ bản, việc hiểu biết và lựa chọn đúng các công cụ mô phỏng và các cấu tử cần thiết, cho phép mô hình hoá và mô phỏng các quá trình công nghệ một cách phù hợp và tin cậy. Điều quan trọng nhất là phải hiểu biết sâu sắc quá trình công nghệ trước khi bắt đầu thực hiện mô phỏng, bởi vì HYSYS chỉ là công cụ phục vụ cho mô phỏng tính toán công nghệ, nó không thể suy nghĩ thay cho các kỹ sư. HYSYS được chú trọng thiết kế đặc biệt cho một số điểm trọng yếu nhằm hỗ trợ các kỹ sư thực hiện mô phỏng hiệu quả. Khả năng ứng dụng và sử dụng hiệu quả là hai tính năng vượt trội của HYSYS, đã và đang tiếp tục được phát triển. HYSYS là chương trình mô phỏng công nghệ hóa học đang được sử dụng rộng rãi trong các trường đại học công nghệ. Quyển sách này sẽ giới thiệu cho sinh viên lần đầu tiên sử dụng HYSYS và có ít hoặc chưa có kinh nghiệm mô phỏng trên máy tính, và c ng là giáo trình dành cho sinh viên năm thứ ba của các trường đại 3 học công nghệ, đ ng thời quyển sách có thể sử dụng như một chỉ d n cho các khóa học cao hơn trong công nghệ hóa học, khi đó HYSYS như một công cụ mô phỏng để giải quyết các vấn đề công nghệ. Hơn nữa có thể sử dụng quyển sách này đ ng thời cho cả sinh viên và kỹ sư thực hành, như một tài liệu hướng d n hay một quyển sổ tay cho các khóa học HYSYS. HYSYS là chương trình mô phỏng rất phức tạp và vì thế trong một cuốn sách không thể đề cập đến tất cả các vấn đề. Quyển sách này đặt trọng tâm vào phần cơ bản của HYSYS, nhằm giúp cho những sinh viên lần đầu tiên làm quen với mô phỏng có thể nắm bắt được và dần dần sử dụng thành thạo trong tính toán thiết kế công nghệ. Phần mềm HYSYS chạy trong môi trường Windows có giao diện thân thiện với người sử dụng. HYSYS c ng giống như tất cả các phần mềm khác luôn luôn có sự phát triển phiên bản mới, tuy nhiên phần cơ bản hầu như không thay đổi từ phiên bản này đến phiên bản khác, quyển sách này hướng d n sử dụng HYSYS 2004.1, được cung cấp có bản quyền tại phòng thí nghiệm Công nghệ Lọc Hoá dầu và Vật liệu xúc tác trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Sau khi cài đặt người sử dụng chỉ cần có hiểu biết cơ bản về máy tính là có thể sử dụng được. Quyển sách này được hoàn thành với sự tham gia rất nhiệt tình của các sinh viên năm cuối chuyên ngành Công nghệ Hữu cơ Hoá Dầu, trường Đại học Bách khoa Hà Nội - các trợ giảng - đã làm việc rất nghiêm túc và có kết quả. Quyển sách này được biên soạn lần đầu nên không tránh khỏi thiếu sót, rất mong nhận được sự góp ý của những người sử dụng để sửa chữa bổ sung cho những lần tái bản sau được tốt hơn. Xin chân thành cảm ơn. Tác giả 4 MỤC LỤC Lời giới thiệu .................................................................................................................... 3 Chƣơng 1 GIỚI THIỆU VỀ MÔ PHỎNG ........................................ 9 1.1. Mục đích của mô phỏng ............................................................................................ 9 1.2. Giới thiệu HYSYS ................................................................................................... 11 Chƣơng 2 BẮT ĐẦU VỚI HYSYS ............................................. 13 2.1. Bắt đầu với HYSYS ................................................................................................ 14 2.2. Quản lý cơ sở mô phỏng .......................................................................................... 14 2.3. Bắt đầu mô phỏng .................................................................................................... 15 2.4. Nhập các cấu tử ....................................................................................................... 16 2.5. Lựa chọn Hệ nhiệt động (Fluids Package) .............................................................. 17 2.6. Lựa chọn mô hình nhiệt động .................................................................................. 18 2.7. Vào môi trường mô phỏng ...................................................................................... 20 2.8. Khởi tạo dòng vật chất............................................................................................. 22 2.9. Tóm tắt và ôn tập chương 2 ..................................................................................... 27 2.10. Bài tập .................................................................................................................... 27 Chƣơng 3 PHƢƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI .................................... 29 3.1. Phương trình trạng thái – Các biểu thức toán học ................................................... 3.2. Thực hiện mô phỏng ................................................................................................ 3.3. Tóm tắt và ôn tập chương 3 ..................................................................................... 3.4. Bài tập ...................................................................................................................... 30 30 38 39 5 Chƣơng 4 BƠM ............................................................. 40 4.1. Bài toán .................................................................................................................... 41 4.2. Tiến hành mô phỏng bơm ........................................................................................ 41 4.3. Thảo luận ................................................................................................................. 46 4.4. Tóm tắt và ôn tập chương 4 ..................................................................................... 46 4.5. Bài tập nâng cao ...................................................................................................... 46 Chƣơng 5 MÁY NÉN ........................................................ 47 5.1. Bài toán .................................................................................................................... 48 5.2. Tiến hành mô phỏng máy nén ................................................................................. 48 5.3. Thảo luận ................................................................................................................. 53 5.4. Tóm tắt và ôn tập chương 5 ..................................................................................... 53 5.5. Bài tập nâng cao ...................................................................................................... 53 Chƣơng 6 TUỐCBIN GIÃN NỞ KHÍ (EXPANDER) ............................ 54 6.1. Bài toán .................................................................................................................... 55 6.2. Tiến hành mô phỏng tuốcbin giãn nở ...................................................................... 55 6.3. Thảo luận ................................................................................................................. 57 6.4. Tóm tắt và ôn tập chương 6 ..................................................................................... 57 6.5. Bài tập nâng cao ....................................................................................................... 57 Chƣơng 7 THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT....................................... 58 7.1. Bài toán .................................................................................................................... 7.2. Tiến hành mô phỏng quá trình trao đổi nhiệt .......................................................... 7.3. Thảo luận ................................................................................................................. 7.4. Tóm tắt và ôn tập chương 7 ..................................................................................... 6 59 59 61 61 7.5. Bài tập nâng cao ...................................................................................................... 61 Chƣơng 8 THÁP TÁCH ..................................................... 62 8.1. Bài toán .................................................................................................................... 63 8.2. Thực hiện mô phỏng quá trình tách pha .................................................................. 63 8.3. Tóm tắt và ôn tập chương 8 ..................................................................................... 68 8.4. Bài tập nâng cao ...................................................................................................... 68 Chƣơng 9 PHẢN ỨNG CHUYỂN HOÁ ........................................ 69 9.1. Bài toán .................................................................................................................... 70 9.2. Thực hiện mô phỏng quá trình phản ứng chuyển hoá ............................................. 70 9.3. Tóm tắt và ôn tập chương 9 ..................................................................................... 76 Chƣơng 10 PHẢN ỨNG CÂN BẰNG ............................................. 77 10.1. Bài toán .................................................................................................................. 78 10.2. Thực hiện mô phỏng quá trình phản ứng cân bằng ............................................... 78 10.3. Tóm tắt và ôn tập chương 10 ................................................................................. 87 Chƣơng 11 THIẾT BỊ PHẢN ỨNG KHUẤY LIÊN TỤC (CSTR) ............... 88 11.1. Thiết lập một Session Preference mới ................................................................... 89 11.2. Khởi tạo Hệ đơn vị đo mới (Unit Set) ....................................................................... 89 11.3. Thực hiện mô phỏng thiết bị phản ứng khuấy liên tục .......................................... 91 11.4. Tóm tắt và ôn tập chương 11 ................................................................................... 100 Chƣơng 12 THÁP HẤP THỤ ................................................ 101 12.1. Bài toán .................................................................................................................... 102 12.2. Thực hiện mô phỏng quá trình hấp thụ................................................................... 102 12.3. Tóm tắt và ôn tập chương 12 ............................................................................... 109 7 12.4. Bài tập nâng cao .................................................................................................. 110 Chƣơng 13 THÁP CHƢNG LUYỆN ............................................ 111 Sơ đ công nghệ ........................................................................................................... 112 Tháp tách metan DC1 ................................................................................................... 113 Tháp tách etan DC2 ...................................................................................................... 114 Tháp tách propan DC3.................................................................................................. 115 13.1. Thực hiện mô phỏng quá trình ............................................................................ 115 13.2. Tóm tắt và ôn tập chương 13 ............................................................................... 126 Chƣơng 14 CÁC BÀI TẬP .................................................. 127 14.1. Bài tập 1. Quá trình có thiết bị phản ứng và tháp tách pha ................................. 128 14.2. Bài tập 2: Cải tiến quá trình của bài tập 1 ........................................................... 129 14.3. Bài tập 3: Quá trình có sử dụng công cụ logic Recycle ...................................... 130 14.4. Bài tập 4: Sản xuất etylen oxit ............................................................................. 132 14.5. Bài tập 5: Chưng luyện ........................................................................................ 133 GIẢI NGHĨA MỘT SỐ CỤM TỪ TIẾNG ANH TRONG MÔ PHỎNG ............. 135 TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................... 136 8 Chƣơng 1 GIỚI THIỆU VỀ MÔ PHỎNG 1.1. Mục đích của mô phỏng Mô phỏng – Simulation là phương pháp mô hình hoá dựa trên việc thiết lập mô hình số, vì vậy còn được gọi là Digital Simulation. Đây là một công cụ rất mạnh để giải các biểu thức toán học mô tả các quá trình công nghệ hoá học. Để mô phỏng một quá trình trong thực tế đòi hỏi trước hết phải thiết lập mô hình nguyên lý c ủa quá trình và mối liên hệ giữa các thông số liên quan. Tiếp đó là sử dụng các công cụ toán học để mô tả mô hình nguyên lý, lựa chọn các thuật toán cần thiết. Cuối cùng là tiến hành xử lý các biểu thức với các điều kiện ràng buộc.Trong thực tế việc tính toán gặp hai khó khăn. Thứ nhất đó là giải hệ các phương trình đại số phi tuyến (thường phải sử dụng phương pháp tính lặp). Thứ hai là phép tính tích phân của các biểu thức vi phân (sử dụng các biểu thức vi phân hữu hạn rời rạc để xấp xỉ các biểu thức vi phân liên tục). Các mô hình toán học rất hữu ích trong tất cả các giai đoạn, từ nghiên cứu triển khai đến cải tiến phát triển nhà máy, và ngay cả trong nghiên cứu các khía cạnh thương mại và kinh tế của quá trình công nghệ. Trong nghiên cứu công nghệ, dựa trên các số liệu nghiên cứu về cơ chế và động học của phản ứng trong phòng thí nghiệm hoặc các phân xưởng pilot, đánh giá ảnh hưởng của các điều kiện tiến hành quá trình để nghiên cứu tối ưu hoá và điều khiển quá trình, bao g m cả nghiên cứu tính toán mở rộng quy mô sản xuất (scale-up). Trong nghiên cứu thiết kế, tính toán kích thước và các thông số của thiết bị và toàn bộ dây chuyền công nghệ, đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố động học, nghiên cứu tương tác ảnh hưởng l n nhau của các công đoạn trong công ngh ệ khi có sự tuần hoàn nguyên liệu hoặc trao đổi nhiệt tận dụng tối ưu nhiệt của quá trình. Mô phỏng tính toán điều khiển quá trình, khởi động, dừng nhà máy, xử lý các sự cố và các tính huống xảy ra trong quá trình vận hành nhà máy. Một quá trình công nghệ hoá học trong thực tế là một tập hợp g m rất nhiều yếu tố hết sức phức tạp có ảnh hưởng l n nhau (các thông số công nghệ như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng dòng, thành phần hỗn hợp phản ứng, xúc tác, các quá trình phản ứng song song và nối tiếp, hiệu ứng nhiệt của phản ứng, cân bằng pha trong hệ thống,…). Độ phức tạp của quá trình tăng lên, đ ng nghĩa với số lượng các thông số liên quan, các biến số, các phương trình, các biểu thức toán học, các điều kiện ràng buộc tăng lên. Giải quyết đ ng thời các vấn đề trên đòi hỏi một khối lượng tính toán cực kỳ lớn, việc tính toán bằng tay đòi hỏi rất nhiều thời gian và hầu như là không thể thực hiện được một cách chính xác và tin cậy. 9 Ngày nay với sự phát triển của công nghệ phần mềm tin học, sự ra đời của các phần mềm mô phỏng, việc nghiên cứu tính toán thiết kế công nghệ bằng phương pháp mô phỏng đang ngày càng phát triển, đã trở nên phổ biến và chiếm ưu thế. Mô phỏng công nghệ bằng các phần mềm mô phỏng với sự trợ giúp của máy vi tính là giải pháp hiệu quả, toàn diện và cho kết quả tin cậy. Trong ngành công nghệ hoá học, mô phỏng đóng vai trò vô cùng quan trọng trong việc nghiên cứu thiết kế công nghệ, phân tích, vận hành và tối ưu hoá hệ thống, điều khiển các quá trình công nghệ gần với các quá trình trong thực tế, v à cả trong các nghiên cứu tính toán tối ưu hoá về mặt kinh tế của quá trình công nghệ. Chương trình mô phỏng nói chung bao g m các thành phần sau: Thư viện cơ sở dữ liệu (các hệ nhiệt động, các cấu tử bao g m các tính chất vật lý và hoá lý của chúng,…) và các thuật toán liên quan đến việc truy cập và tính toán các tính chất hoá lý của các cấu tử và hỗn hợp cấu tử, thiết lập các cấu tử giả. Có thể bổ sung các cấu tử, hoặc thay đổi các hệ đơn vị trong chương trình đáp ứng yêu cầu của người sử dụng. Các công cụ mô phỏng cho các thiết bị có thể có trong hệ thống công nghệ hoá học như: bơm, máy nén, tuốcbin giãn nở khí, thiết bị trao đổi nhiệt, tháp tách hai pha và ba pha, chưng cất, hấp thụ, trộn dòng và chia dòng…Phần này có chứa các mô hình toán và thuật toán phục vụ cho quá trình tính toán các thông số của thiết bị và các thông số công nghệ của quá trình công nghệ được mô phỏng. Các công cụ logic phục vụ cho việc tính toán tuần hoàn nguyên liệu, thiết lập các thông số công nghệ, điều chỉnh các thông số theo yêu cầu công nghệ, tính toán cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng, tính toán cân bằng pha,… Các công cụ mô phỏng các quá trình điều khiển (điều khiển nhiệt độ, điều khiển áp suất, điều khiển lưu lượng dòng, điều khiển mức chất lỏng...) trong quá trình vận hành quy trình công nghệ hoá học. Chương trình điều hành chung toàn bộ hoạt động của các công cụ mô phỏng và ngân hàng dữ liệu. Chương trình xử lý thông tin: lưu trữ, xuất, nhập, in… dữ liệu và kết quả tính toán được từ quá trình mô phỏng. Hỗ trợ việc kết nối giữa các chương trình mô phỏng khác nhau, kết nối với các module xây dựng các thiết bị đặc biệt do người sử dụng tạo ra bằng các ngôn ngữ lập trình như Visual Basic, Visual C++, … 10 1.2. Giới thiệu HYSYS HYSYS là sản phẩm của công ty AspenTech – Canada. HYSYS là phần mềm chuyên dụng để tính toán mô phỏng công nghệ chế biến dầu khí và công nghệ h oá học. HYSYS là phần mềm có khả năng tính toán đa dạng, cho kết quả có độ chính xác cao, đ ng 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 dầu khí và tổng hợp hoá dầu. Ngoài thư viện có sẵn, HYSYS cho phép người sử dụng tạo các thư viện riêng hoặc cho phép liên kết với các chương trình tính toán hoặc các phần mềm khác như Microsoft Visual Basic, Microsoft Excel,Visio, C ++, Java… Khả năng nổi bật của HYSYS là tự động tính toán các thông số còn lại nếu thiết lập đủ thông tin do đó sẽ tránh được sai sót và có thể thay đổi các điều kiện c ng như sử dụng các dữ liệu đầu vào khác nhau. HYSYS được thiết kế sử dụng cho hai trạng thái mô phỏng là mô phỏng động và mô phỏng tĩnh. Mô phỏng tĩnh (Steady Mode) được sử dụng để nghiên cứu thiết kế công nghệ cho một quá trình, tối ưu hoá các điều kiện công nghệ. Với mỗi một b ộ số liệu ban đầu, mỗi điều kiện công nghệ xác định thì khi quá trình tính toán hội tụ, kết quả thu được tương ứng với các điều kiện đó mà không thay đổi theo thời gian. Khi thay đổi các điều kiện ban đầu hay các chế độ công nghệ khác nhau thì sẽ thu được các kết quả khác nhau tương ứng. Từ đó có thể xác định được các yếu tố ảnh hưởng lên quá trình và mức độ ảnh hưởng của từng yếu tố. Bằng việc so sánh các kết quả đó sẽ lựa chọn và thiết lập được điều kiện tối ưu cho một quá trình nào đó. Mô phỏng tĩnh được sử dụng để nghiên cứu thiết kế một quá trình công nghệ mới hoặc tính toán cải tiến, phát triển mở rộng quy mô một quá trình công nghệ sẵn có, đưa ra các phương án khác nhau để so sánh đánh giá nhằm tìm ra giải pháp tối ưu. Mô phỏng động (Dynamic Mode) dùng để mô phỏng thiết bị hay quá trình ở trạng thái đang vận hành liên tục có các thông số thay đổi theo thời gian, khảo sát sự thay đổi các đáp ứng của hệ thống theo sự thay đổi của một vài thông số công nghệ. Trạng thái mô phỏng động cho thấy sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ theo thời gian và có thể thiết lập c ng như khắc phục các sự cố có thể xảy ra khi vận hành công nghệ trên thực tế, tìm ra các nguyên nhân và biện pháp giải quyết các sự cố đó. Điều này có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong đào tạo các kỹ sư vận hành, hiểu biết tường tận về công nghệ, thành thạo và có kinh nghiệm trước khi tham gia vận hành nhà máy thực tế, trong điều kiện hiện nay các nhà máy hoá chất và dầu khí với kỹ thuật hiện đại, vận hành ở chế độ tự động hoá rất cao. Sử dụng HYSYS giúp giảm chi phí cho quá trình côngnghệ do có thể tối ưu các thiết bị trong dây chuyền mà v n đảm bảo được yêu cầu về chất lượng sản phẩm. 11 HYSYS cho phép tính toán vấn đề tận dụng nhiệt, tối ưu được vấn đề năng lượng trong quá trình sản xuất, tuần hoàn nguyên liệu nhằm tăng hiệu suất của quá trình. HYSYS có một thư viện mở các thiết bị, các cấu tử và cung cấp phương tiện để liên kết với các cơ sở dữ liệu khác nên cho phép mở rộng phạm vi chương trình và rất gần với thực tế công nghệ. HYSYS có một số lượng lớn các công cụ mô phỏng, hỗ trợ hiệu quả trong nghiên cứu mô phỏng, với giao diện thân thiện và dễ sử dụng, đặc biệt với những người bắt đầu làm quen với chương trình mô phỏng. Trình tự thực hiện mô phỏng theo các bước sau đây: 1. Xây dựng cơ sở mô phỏng: Nhập các cấu tử trong thành phần nguyên liệu Lựa chọn hệ nhiệt động phù hợp Khởi tạo các phản ứng 2. Xây dựng lưu trình PFD Khai báo các tính chất và thành phần của dòng nguyên liệu Xây dựng sơ đ công nghệ với các thiết bị cần thiết Cung cấp đầy đủ các tham số cần thiết cho thiết bị 3. Chạy chương trình mô phỏng Đọc kết quả Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ. Trong phạm vi quyển sách này sẽ nghiên cứu tìm hiểu các thiết bị mô phỏng trong HYSYS, sử dụng các công cụ của HYSYS để mô phỏng một số quá trình công nghệ hoá học đơn giản, nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng sản phẩm. Chương cuối cùng sẽ đưa ra các bài tập vận dụng các kiến thức đã được cung cấp trong 12 chương trước đó để mô phỏng một số quá trình công nghệ hoá học từ đơn giản đến phức tạp. Vì vậy đòi hỏi người học phải học nghiêm túc và thực hành thành thạo toàn bộ từ chương 2 đến chương 13 thì mới có thể làm được các bài tập của chương 14 này, và sẽ thấy hết sức thú vị và hiệu quả. 12 Chƣơng 2 BẮT ĐẦU VỚI HYSYS Nội dung Bắt đầu làm việc với HYSYS, cách lựa chọn các cấu tử trong hỗn hợp nguyên liệu, và phương pháp lựa chọn hệ nhiệt động phù hợp cho mục đích mô phỏng. Biết cách bắt đầu làm việc với HYSYS và làm quen với các giao diện là rất quan trọng. Cách vào và quay trở lại môi trường mô phỏng, làm quen với sơ đ mô phỏng. Làm quen với một vài tính năng quan trọng của HYSYS. Cách nhập dòng vật chất cho mô phỏng. Việc xác định biến là một trong những bước rất quan trọng cần phải được hiểu kỹ khi thao tác trong HYSYS. Mục tiêu Sau khi kết thúc chương này người sử dụng có thể: Khởi động HYSYS Lựa chọn các cấu tử trong thành phần hỗn hợp Xác định và lựa chọn hệ nhiệt động phù hợp Vào và quay trở lại môi trường mô phỏng Nhập và khai báo các tham số cho các dòng vật chất 13 2.1. Bắt đầu với HYSYS Khởi động HYSYS bằng cách bấm vào biểu tượng của HYSYS, trên màn hình máy tính sẽ xuất hiện giao diện như trong hình 2.1. Hình 2.1. Giao diện mở đầu xuất hiện khi khởi động HYSYS Trước khi thực hiện mô phỏng, HYSYS cần phải biến đổi giao diện ban đầu này. Tại giao diện ban đầu này sẽ thực hiện lựa chọn các cấu tử cần thiết và hệ nhiệt động phù hợp cho mô phỏng. 2.2. Quản lý cơ sở mô phỏng Aspen HYSYS sử dụng khái niệm hệ nhiệt động (Fluid Package) bao g m tất cả các thông tin cần thiết để tính toán các tính chất vật lý và cân bằng pha của hỗn hợp nhiều cấu tử. Cách tiếp cận này cho phép xác định tất cả các thông tin (các tính chất nhiệt động, các cấu tử, các cấu tử giả định, các hệ số tương tác bậc hai, các phản ứng hoá học, các số liệu dạng bảng,…) bên trong một gói. Có bốn ưu điểm chính của cách tiếp cận này: 14 Tất cả thông tin kết nối được xác định tại một nơi cho phép tạo ra hay sửa đổi các thông tin một cách dễ dàng. Hệ nhiệt động có thể được lưu lại sau khi xác định và có thể sử dụng cho các mô phỏng khác khi cần đến. Danh sách các cấu tử trong hỗn hợp được lưu trữ riêng bên ngoài hệ nhiệt động nên có thể sử dụng được cho các bài toán mô phỏng khác khi cần đến. Có thể sử dụng nhiều hệ nhiệt động trong cùng một chương trình mô phỏng. Tuy nhiên các hệ nhiệt động này cùng được xác định trong Basic Manager. Simulation Basic Manager là giao diện thuộc tính cho phép thiết lập và điều khiển nhiều hệ nhiệt động hoặc danh sách các cấu tử trong hỗn hợp sử dụng trong mô phỏng. 2.3. Bắt đầu mô phỏng Sử dụng một trong ba cách sau để bắt đầu một bài mô phỏng mới: chọn File/new/case, hoặc sử dụng phím tắt ctrl+N, hoặc bấm vào biểu tượng new case Khi đó giao diện Simulation Basic Manager sẽ xuất hiện (hình 2.2). Trong giao diện này có các tab. Thường sử dụng các tab sau: Components tab sử dụng khi nhập các cấu tử, Fluid Pkgs tab sử dụng khi chọn Hệ Nhiệt động (Fluid Package), Reactions tab sử dụng khi thiết lập các phản ứng hoá học. Menu chính Thanh công cụ Các tab Hình 2.2. Giao diện Simulation Basic Manager 15 2.4. Nhập các cấu tử Bước đầu tiên khởi tạo cơ sở mô phỏng là nhập các cấu tử (đơn chất và hợp chất) sẽ có mặt trong chương trình mô phỏng. Trình tự tiến hành như sau: 1. Để nhập các cấu tử cho mô phỏng bấm vào phím Add trong giao diện Simulation Basic Manager . 2. Sau khi bấm phím Add sẽ xuất hiện danh sách tất cả các cấu tử có trong thư viện của HYSYS (hình 2.3). Hình 2.3. Giao diện Component List 3. Chọn các cấu tử cần thiết cho chương trình mô phỏng từ danh sách. Có thể tìm các cấu tử trong danh sách bằng một trong ba cách sau đây: chọn ô Sim Name, hoặc chọn ô Full Name, hoặc chọn ô Formula. Nhập tên hoặc công thức cần tìm vào ô Match phía trên. Ví dụ khi chọn ô Sim Name và nhập tên water vào ô Match, sẽ nhìn thấy dòng tương ứng với water được đánh dấu. Nếu không tìm thấy, có thể thử sử dụng tên khác hoặc thử tìm bằng các ô Full Name hoặc Formula. 4. Khi đã chọn được công thức thích hợp, nhắp đúp vào chất vừa chọn hoặc bấm vào phím Add Pure để nhập chất đó vào danh sách các cấu tử đã chọn Selected Components. 5. Ở phía dưới giao diện này có ô Name, có thể đặt tên cho danh sách các cấu tử vừa chọn. 6. Khi đã hoàn thành các bước trên, đóng cửa sổ này lại, sẽ trở lại giao diện Simulation Basic Manager. 16 Sau khi đã nhập các cấu tử cần thiết vào danh sách, lưu vào một thư mục xác định trước khi tiếp tục quá trình mô phỏng. Chọn File/Save as và chọn thư mục thích hợp, không lưu vào thư mục mặc định xuất hiện. 2.5. Lựa chọn Hệ nhiệt động (Fluids Package) Sau khi nhập các cấu tử cho mô phỏng, tiếp theo là lựa chọn Hệ Nhiệt động (Fluid Package) cho mô phỏng. Fluid Package được sử dụng để tính toán dòng và các tính chất nhiệt động của các cấu tử và hỗn hợp trong quá trình mô phỏng (ví dụ như enthalpy, entropy, tỷ trọng, cân bằng lỏng - hơi, …). Vì thế việc lựa chọn hệ nhiệt động phù hợp có ý nghĩa rất quan trọng, là cơ sở để tính toán mô phỏng cho kết quả đúng. 1. Từ Simulation Basic Manager (hình 2.2), chọn Fluid Pkgs tab. 2. Bấm vào phím Add để chọn một fluid pkgs mới, như trong hình 2.4. Hình 2.4. Giao diện Fluid Package 3. Từ danh sách Fluid Package chọn hệ nhiệt động phù hợp. Danh sách các Fluid Package có thể được rút gọn bằng cách có chọn lọc nhờ các bộ lọc phía bên phải danh sách (ví dụ như EOS, activity model, ...). 4. Khi đã chọn được hệ nhiệt động phù hợp, nhắp đơn chuột vào (không cần nhắp đúp). Ví dụ trong hình 2.4, đã lựa chọn phương trình trạng thái Peng-Robinson. 5. Có thể đặt tên cho fluid package vào cửa sổ nhỏ Name phía dưới giao diện. Ví dụ trong hình 2.4 tên của fluid package là Basis-1. 6. Sau khi kết thúc bấm vào dấu X màu đỏ ở góc trên bên phải để đóng giao diện này lại. 17 2.6. Lựa chọn mô hình nhiệt động Lựa chọn mô hình nhiệt động phù hợp rất quan trọng, quyết định đến kết quả tính toán của toàn bộ quá trình. Đây là một thủ tục đầu tiên để bắt đầu mô phỏng. Năm 1999, hai tác giả Elliott và Lira đã đề xuất sơ đ hình cây như mô tả trên hình 2.5 dưới đây. Phân loại các cấu tử có trong hệ: khí, chất không phân cực, ngưng tụ, solvat hóa, điện ly Khí hoặc chất không phân cực? Đúng Thử chọn PR, SRK, API Sai Đúng Chất điện ly? Thử chọn NRTL, Pitzer, hoặc Bromley Sai Khí (NH3, CO2)? hoặc P > 10 bars? Sai Biết BIP? Sai Đúng Polimers? Đúng Đúng Thử NRTL, UNIQUAC, FH, Winson, Van Laar Thử UNIFAC, nếu có thể, giả định BIP của các cấu tử thiếu Thử chọn SAFT, ESD Sai P < 10 bars? Đúng Thử Henry’s Law Sai Thử ESD, SAFT, MHW2, Wong-Sandler Hình 2.5. Sơ đồ lựa chọn mô hình nhiệt động 18 Các hệ nhiệt động có trong HYSYS cho phép dự đoán được tính chất của các hỗn hợp từ hệ các hydrocacbon nh tới hỗn hợp của các loại dầu phức tạp, và hệ các hợp chất không điện ly. HYSYS cung cấp các phương trình trạng thái (PR hay PRSV) cho các quá trình xử lý phức tạp hỗn hợp hydrocacbon, các mô hình bán thực nghiệm và áp suất hơi của các hệ hydrocacbon nặng, các hiệu chỉnh hơi nước cho các dự đoán chính xác về tính chất của hơi nước, và các mô hình hệ số hoạt độ của các hệ hóa học. Tất cả các phương trình đều có giới hạn phạm vi ứng dụng, vì vậy cần xem xét phạm vi ứng dụng phù hợp của mỗi phương trình với các hệ gần giống nhau. Bảng 2.1 đưa ra danh sách một vài hệ tiêu biểu và những phương pháp tính toán phù hợp có thể áp dụng. Bảng 2.1. Danh sách một số hệ tiêu biểu và Hệ nhiệt động phù hợp Hệ tiêu biểu Sấy khí bằng TEG Nước chua Xử lý khí nhiệt độ thấp Tách không khí Tháp chưng cất dầu thô áp suất khí quyển Tháp chưng cất chân không Tháp Ethylene Hệ H2 áp suất cao Các thùng chứa Ức chế tạo hydrat Các hệ hoá học Alkyl hoá xúc tác HF Sấy bằng TEG có mặt các hợp chất thơm Các hệ hydrocacbon trong đó độ tan của nước trong các hydrocacbon là quan trọng Các hệ có một vài khí và các hydrocacbon nh Hệ nhiệt động phù hợp được đề nghị sử dụng PR PR, Sour PR PR, PRSV PR, PRSV PR, PR Options, GS PR, PR Options, GS (, hiển thị cửa sổ như trong hình 12.9, bấm phím Complete AutoSection. Hình 12.9. Cửa sổ Tray Section 107 Sau khi bấm phím Complex AutoSection, sẽ xuất hiện cửa sổ Tray Sizing. Đóng cửa sổ này lại và trở về giao diện PFD. Nhắp đúp vào Absorber để mở giao diện thuộc tính của tháp, bấm vào phím Run để chạy chương trình mô phỏng tính toán lại với tháp đệm. 4. Các thông số thiết kế tháp Trên thanh menu chính, bấm vào Tools, trong danh sách chọn Utilities. Cửa sổ Available Utilities sẽ xuất hiện, di chuyển xuống dưới danh sách để chọn Packing và bấm vào phím View Utility…. Trong cửa sổ mới hiển thị, bấm phím Auto Section… và thay đổi trong nhóm Internal Type chọn Packed. Không cần phải chọn lại loại đệm nữa. Bấm phím Next> và sau đó bấm phím Complete AutoSection, sẽ xuất hiện cửa sổ Tray Sizing như hình 12.10. Bây giờ mở Performance tab, chọn Packed. Trong Results page, có thể đọc giá trị đường kính và chiều cao của tháp. Đóng cửa sổ này lại để trở về giao diện PFD, nhắp đúp vào dòng Gases Out và đọc hàm lượng CO2 trong dòng khí ra. Ghi các kết quả tính toán nhận được vào bảng. Hình 12.10. Cửa sổ Tray Sizing: Packing 108 Section Diameter (m)___________________________ Section Height (m)_____________________________ CO2 composition______________________________ 5. Lưu vào thư mục xác định Vào File Chọn Save as Đặt tên file là Absorber, sau đó bấm phím OK Hoàn thành mô phỏng nhận được lưu trình PFD như trong hình 12.11. Hình 12.11. PFD quá trình hấp thụ CO2 bằng propylen carbonat 12.3. Tóm tắt và ôn tập chƣơng 12 Trong phần đầu chương này đã bắt đầu mô phỏng quá trình hấp thụ CO 2 bằng propylene carbonate trong tháp hấp thụ loại tháp đệm, sử dụng công cụ Absorber trong HYSYS để mô phỏng quá trình hấp thụ. Trong phần cuối chương này, đã sử dụng HYSYS để xác định n ng độ CO 2 còn lại trong dòng khí sản phẩm ra khỏi tháp hấp thụ, chiều cao tháp (m) và đường kính tháp (m). 109 Hình 12.12. Tháp hấp thụ (sub-flowsheet) 12.4. Bài tập nâng cao Tăng lưu lượng dòng dung môi Solvent In từ 2000 kmol/h lên 2500 kmol/h. Chạy lại chương trình mô phỏng, xem kết quả có gì thay đổi, điền kết quả mới nhận được vào bảng sau: Section Diameter (m)___________________________ Section Height (m)_____________________________ CO2 composition______________________________ 110 Chƣơng 13 THÁP CHƢNG LUYỆN Nội dung Thu h i pha lỏng từ khí tự nhiên (Natural-Gas Liquids NGL) là quá trình xử lý hỗn hợp khí tự nhiên khá phổ biến. Mục đích của quá trình tách pha lỏng là: Không còn các hydrocacbon nặng là các cấu tử thường bị ngưng tụ trong đường ống, đảm bảo vận chuyển khí an toàn bằng đường ống. Đáp ứng các tiêu chuẩn của khí thương phẩm. Thu h i tối đa sản phẩm lỏng (sản phẩm lỏng có giá trị cao hơn khí) HYSYS có thể mô hình hoá nhiều cấu hình tháp chưng luyện khác nhau. Trong chương này sẽ sử dụng ba tháp để mô phỏng nhà máy NGL: Tháp tách metan sử dụng tháp có đun sôi đáy tháp (Reboiled Absorber). Tháp tách etan sử dụng tháp chưng luyện có h i lưu đỉnh ngưng tụ một phần và đun sôi đáy tháp (Distillation Column). Tháp tách propan sử dụng tháp chưng luyện có h i lưu đỉnh ngưng tụ hoàn toàn và đun sôi đáy tháp (Distillation Column). Mục tiêu Sau khi học xong có thể: Thiết lập tháp chưng sử dụng Input Experts. Khai báo các tham số cho tháp chưng luyện. Yêu cầu Trước khi học chương này người sử dụng cần phải biết: Thực hiện các thay đổi trong PFD Thêm các dòng trong PFD hoặc Workbook Khởi tạo và nối các dòng vào thiết bị trong PFD 111 Hình 13.1. Sơ đồ mô phỏng công nghệ NGL trong HYSYS Sơ đồ công nghệ PFD 112 Tháp tách metan DC1 Hình 13.2.Tháp tách metan DC1 113 Tháp tách etan DC2 Hình 13.3. Tháp tách etan DC2 114 Tháp tách propan DC3 Hình 13.4. Tháp tách propan DC3 13.1. Thực hiện mô phỏng Mở new case. Chọn Peng – Robinson EOS. Nhập các cấu tử: N2, CO2, C1 – C8. Bấm phím Enter Simulation Environment 115 1. Thiết lập các dòng vật chất Thiết lập hai dòng vật liệu theo các thông tin trong bảng sau: In this cell… Enter… Trong ô này… Nhập thông tin… Nhập thông tin… Name Feed1 Feed2 Temperature 95oC (140oF) 85oC (120oF) Pressure 2275 kPa (330 psia) 2290 kPa (332 psia) Flowrate 1620 kgmole/h (3575 lbmole/hr) 215 kgmole/h (475 lbmole/hr) Component Mole Fraction Mole Fraction N2 0.0025 0.0057 CO2 0.0048 0.0029 C1 0.7041 0.7227 C2 0.1921 0.1176 C3 0.0706 0.0750 i-C4 0.0112 0.0204 n-C4 0.0085 0.0197 i-C5 0.0036 0.0147 n-C5 0.0020 0.0102 C6 0.0003 0.0037 C7 0.0002 0.0047 C8 0.0001 0.0027 2. Thiết lập tháp tách metan Tháp tách metan được mô phỏng bằng thiết bị Reboiler Absorber, với hai dòng nguyên liệu, một dòng năng lượng vào để gia nhiệt đáy tháp. Thiết lập dòng năng lượng theo các thông tin sau: 116 Trong ô này… Nhập thông tin… Name Ex Duty Energy Flow 2.1e+06 kJ/h (2.0+06 Btu/hr) Nhắp đúp vào biểu tượng Reboiled Absorber trong Object Palette Xuất hiện giao diện Input Expert đầu tiên. Nhập các thông tin như trong hình 13.5 dưới đây. Hình 13.5. Giao diện Input Expert (1 of 4) Bấm phím Next> để chuyển sang trang tiếp theo. Nhập các thông tin áp suất như trong hình 13.6. Trong hệ đơn vị field, nhập giá trị áp suất đỉnh tháp là 330 psi và áp suất đáy tháp là 335 psi. Hình 13.6. Giao diện Input Expert (2 of 4) 117 Bấm phím Next> để chuyển sang trang tiếp theo. Nhập các giá trị nhiệt độ giả định như trong hình 13.7, trong hệ đơn vị field, nhập giá trị nhiệt độ đỉnh tháp là -125oF, nhiệt độ reboiler là 80oF. Hình 13.7. Giao diện Input Expert (3 of 4) Bấm phím Next> để chuyển sang trang tiếp theo. Trong trường hợp này không cần thêm thông tin trong trang cuối này, hình 13.8. Bấm phím Done… Hình 13.8. Giao diện Input Expert (1 of 4) 118 Sau khi bấm phím Done…, HYSYS sẽ mở đầy đủ giao diện thuộc tính của tháp. Mở Monitor page trong Design tab của giao diện Column DC1 như hình 13.9. Trước khi cho tính toán tháp, phải chắc chắn rằng đã khai báo đầy đủ các thông tin như hướng d n ở trên. Hình 13.9. Giao diện thuộc tính tháp – Design tab – Monitor page Từ Monitor page (hình 13.9) nhận thấy rằng để tháp có thể tính toán được cần phải nhập thêm tham số lưu lượng sản phẩm đỉnh Ovhd Prod Rate là 1338 kgmole/h (2950 lbmole/hr). Sau khi đã nhập thêm tham số này, bấm phím Run để bắt đầu tính toán tháp và quá trình sẽ hội tụ, như hình 13.10. Hình 13.10. Quá trình tính toán tháp đã hội tụ 119 Phần mol metan trong sản phẩm đỉnh là bao nhiêu?______________ Mặc dù tháp đã hội tụ, nhưng trong thực tế không phải lúc nào c ng có số liệu về lưu lượng dòng sản phẩm đỉnh. Tham số này có thể là kết quả tính toán của tháp, tháp có thể không hội tụ (Unconverged) hoặc dòng sản phẩm sẽ có những tính chất không đáp ứng yêu cầu nếu như thay đổi điều kiện dòng nguyên liệu vào tháp. Có cách tiếp cận khác để khai báo thông tin cho tháp hoặc là thành phần cấu tử hoặc là thành phần các dòng sản phẩm của tháp. Mở Specs page của Design tab trong giao diện thuộc tính tháp như hình 13.11. Bấm vào phím Add trong nhóm Column Specifications. Hình 13.11. Giao diện thuộc tính tháp – Design tab – Specs page Cửa sổ Add Specs xuất hiện như hình 13.12. Chọn Column Component Fraction từ trong danh sách. Sau đó bấm phím Add Spec(s)… ở phía bên dưới cửa sổ. Hình 13.12. Cửa sổ Add Specs 120 Điền các tham số như trong hình 13.13. Sau đó đóng cửa sổ này lại. Hình 13.13. Cửa sổ Component Fraction Spec Trong cửa sổ Monitor page của giao diện thuộc tính tháp, mặc dù vừa bổ sung thêm tham số, nhưng bậc tự do (Degrees of Freedom) v n bằng 0. Điều đó cho thấy trên thực tế tham số thêm vào chưa được kích hoạt. Bây giờ tiến hành bỏ kích hoạt tham số Ovhd Prod Rate, và kích hoạt Com Fraction vừa được bổ sung, trong trường hợp này là C1 in Overhead như trong hình 13.14. Hình 13.14. Kích hoạt tham số C1 in Overhead 121 Lưu lượng sản phẩm đỉnh tháp DC1 Ovhd bằng bao nhiêu?_____________ Khi tháp đã hội tụ, có thể xem kết quả tính toán trong Performance tab như hình 13.15. Hình 13.15. Kết quả tính toán tháp DC1 3. Thiết lập bơm Bơm được sử dụng để vận chuyển sản phẩm đáy tháp tách metan DC1 sang tháp tách etan DC2. Thiết lập bơm với các thông tin sau. Trong ô này… Nhập thông tin… Connections tab Inlet DC1 Btm Outlet DC2 Feed Energy P-100-HP Worksheet tab DC2 Feed Pressure 2790 kPa (405 psi) 4. Thiết lập tháp chưng luyện tách etan DC2 Tháp chưng luyện tách etan được mô phỏng trong HYSYS bằng tháp chưng luyện có h i lưu đỉnh (condenser) và đun sôi đáy tháp (reboiler), tổng cộng có 16 122 đĩa, trong đó tháp có 14 đĩa và condenser và reboiler. Tháp làm việc ở áp suất 2760 kPa (400 psi). Trong sản phẩm đáy tỷ lệ etan/propan là 0.01. Nhắp đúp vào biểu tượng Distillation Column trên Object Palette. Nhập các thông tin sau: Trong ô này… Nhập thông tin… Connections Name DC2 No. of Stages 14 Feed Stream/Stage DC2 Feed/6 Condenser Type Partial Overhead Vapour Product DC2 Ovhd Overhead Liquid Product DC2 Dist Bottom Product DC2 Btm Reboiler Duty DC2 Reb Q Condenser Duty DC2 Cond Q Pressures Condenser 2725 kPa (395 psia) Condenser Delta P 35 kPa (5 psi) Reboiler 2792 kPa (405 psia) Temperature Estimates Condenser -4oC (25oF) Reboiler 95oC (200oF) Specifications Overhead Vapour Rate 320 kgmole/h (700 lbmole/hr) Distillate Rate 0 kgmole/h Reflux Ratio 2.5 (Molar) Bấm phím Run để thực hiện tính toán. Lưu lượng C2 và C3 trong sản phẩm đáy của DC2 bằng bao nhiêu?_____ Tỷ số C2/C3 bằng bao nhiêu?____________________________________ 123 Trên Specs page, bấm phím Add để bổ sung thêm tham số mới Column Component Ratio, sau đó nhập các thông tin như sau vào cửa sổ hiển thị. Trong ô này… Nhập thông tin… Name C2/C3 Stages Reboiler Flow Basis Mole Fraction Phase Liquid Spec Value 0.01 Numerator Ethane Denominator Propane Trên Monitor tab, không kích hoạt Ovhd Vap Rate và chuyển sang kích hoạt tham số C2/C3 mới được bổ sung. Lưu lượng sản phẩm đỉnh của tháp DC2 là bao nhiêu?_______________ 5. Thiết lập van Van được sử dụng để làm giảm áp suất dòng sản phẩm đáy của tháp tách etan DC2 Btm trước khi đưa vào tháp tách propan cuối cùng. Nhập các thông tin sau cho van: Trong ô này… Nhập thông tin… Connections Feed Stream DC2 Btm Product Stream DC3 Feed Worksheet DC3 Feed Pressure 1690 kPa (245 psi) 6. Thiết lập tháp chưng luyện tách propan Tháp chưng luyện tách propan được mô phỏng trong HYSYS bằng tháp chưng luyện có 25 đĩa, trong đó tháp có 24 đĩa và Reboiler. Lưu ý rằng trong trường hợp này Condenser ngưng tụ hoàn toàn không tính là một đĩa. Áp suất là việc trung 124 bình trong tháp là 1620 kPa (235 psi). Tháp tách propan có hai sản phẩm. Sản phẩm đỉnh có chứa không quá 1.5% mol của i-C4 và n-C4. N ng độ propan trong sản phẩm đáy phải nhỏ hơn 2.0% mol. Nhập các thông tin cho tháp chưng luyện tách propan như trong bảng sau. Khi hoàn thành, bấm phím Run để thực hiện tính toán tháp. Tháp hội tụ, đọc kết quả. Trong ô này… Nhập thông tin…. Connections Name DC3 No. of Stages 24 Feed Stream/Stage DC32 Feed/11 Condenser Type Total Overhead Liquid Product DC3 Dist Bottom Product DC3 Btm Reboiler Duty DC3 Reb Q Condenser Duty DC3 Cond Q Pressures Condenser 1585 kPa (230 psia) Condenser Delta P 35 kPa (5 psi) Reboiler 1655 kPa (240 psia) Temperature Estimates Condenser 38oC (100oF) Reboiler 120oC (250oF) Specifications Distillate Rate 100 kgmole/h (240 lbmole/hr) Reflux Ratio 1.0 (Molar) Phần mol C3 trong sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy bằng bao nhiêu?_______ Khởi tạo thêm hai tham số thành phần cấu tử cho tháp. 125 Trong ô này… Nhập thông tin... i-C4 and n-C4 in Distillate Name i-C4 and n-C4 Stages Condenser Flow Basis Mole Fraction Phase Liquid Spec Value 0.015 Components i-C4 and n-C4 C3 in Reboiler Name C3 Stages Reboiler Flow Basis Mole Fraction Phase Liquid Spec Value 0.02 Components C3 Bỏ kích hoạt Distillate Rate và Reflux Ratio. Kích hoạt các tham số i-C4 and n-C4 và C3 mới khởi tạo bổ sung. 7. Lưu vào thư mục xác định Vào File menu Chọn Save as Đặt tên file là Separation Column, sau đó bấm phím OK 13.2. Tóm tắt và ôn tập chƣơng 13 Trong phần chương này đã thực hiện mô phỏng quá trình chưng luyện để tăng thu h i sản phẩm lỏng từ khí tự nhiên (NGL). Đã sử dụng Absorber trong HYSYS, loại tháp chưng tách chỉ có Column và Reboiler để mô phỏng tháp tách metan. Tháp chưng luyện tách etan được mô phỏng bằng Distillation Column, với Condenser ngưng tụ một phần và Reboiler. Tháp chưng luyện tách propan được mô phỏng bằng Distillation Column, với Condenser ngưng tụ hoàn toàn và Reboiler. 126 Chƣơng 14 CÁC BÀI TẬP Nội dung Trong chương này sẽ kiểm tra sự hiểu biết và khả năng sử dụng HYSYS để mô phỏng các quá trình công nghệ. HYSYS là một chương trình mô phỏng có quan hệ chặt chẽ với các quá trình công nghệ. Đây là một chương trình rất mạnh có thể sử dụng để giải quyết toàn bộ các vấn đề liên quan đến quá trình công nghệ. Tuy nhiên, khi cung cấp các điều kiện khác nhau và các lựa chọn để giải quyết vấn đề, nếu không hiểu biết về quá trình và các trình tự tiến hành mô phỏng sẽ không thể sử dụng HYSYS một cách có hiệu quả trong tính toán quá trình công nghệ. Mục tiêu Sau khi học xong người sử dụng có thể: Thao tác trên các giao diện của HYSYS và xây dựng lưu trình PFD từ mô tả trong tài liệu dạng văn bản. Nghiên cứu lựa chọn các phương án công nghệ trong quá trình mô phỏng. Đánh giá tác động của các hệ nhiệt động đã chọn đến kết quả mô phỏng. Rút ra một cách chọn lọc kết quả tính toán các tính chất vật lý từ HYSYS. Yêu cầu Trước khi thực hành các bài tập trong chương này, phải hoàn thành tất cả bài tập các chương trước. 127 14.1. Bài tập 1. Quá trình có thiết bị phản ứng và tháp tách pha Toluen được sản xuất từ n-heptan bằng phản ứng dehydro hoá trên xúc tác Cr2O3 theo phản ứng sau: CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH3 C6H5CH3 + 4H2 o Ban đầu n-heptan được gia nhiệt từ 65 lên 800 F trong thiết bị gia nhiệt. Sau đó được đưa vào tháp phản ứng có xúc tác vận hành trong điều kiện đẳng nhiệt và độ chuyển hoá 15% mol n-heptan thành toluen. Sản phẩm ra khỏi thiết bị phản ứng được làm mát xuống 65 oF và d n vào tháp tách pha. Toàn bộ dây chuyền công nghệ làm việc ở áp suất khí quyển, xác định lưu lượng của các dòng. Trình tự mô phỏng 1. Khởi động HYSYS và mở File/New/Case 2. Giao diện Simulation Basis Manager xuất hiện. Mở Fluid Package tab. Bấm phím Add. Chọn Peng-Robinson. Đóng cửa sổ. 3. Mở Component page và Add: toluene, n-heptane, và hydrogene. Đóng cửa sổ. 4. Bấm phím Enter Simulation Environment ở bên dưới giao diện Simulation Basis Manager. 5. Bấm vào biểu tượng Heater trong Object Palette và sau đó bấm vào Process Flow Diagram (PFD). Bấm vào biểu tượng General Reactor, sẽ xuất hiện bốn loại Reactor khác nhau, chọn Conversion Reactor và bấm vào PFD. Tương tự với Cooler và Separator. 6. Đặt tên các dòng vào và các dòng ra và các thiết bị của toàn bộ quá trình như trong hình 14.1. Hình 14.1. Sơ đồ PFD ban đầu 128 7. Lưu ý rằng Reactor có màu đỏ với dòng thông báo “Need Reaction Set”. Bấm vào Flowsheet trên thanh công cụ, chọn Reaction Package trong danh sách thả xuống. Add Global Rxn Set. Sau đó bấm Add Rxn và chọn Conversion. Add components (n-heptane, toluene, hydrogen) và hệ số tỷ lượng tương ứng (-1, 1, 4). Chuyển sang Basis tab và nhập giá trị 15 vào ô Co (đây là độ chuyển hoá). Đóng cửa sổ, trở về màn hình PFD. 8. Nhắp đúp vào Reactor. Mở Reaction tab trong giao diện thuộc tính của Reactor. Chọn Global Reaction Set vào ô Reaction Set. Đóng cửa sổ. 9. Mở Worksheet, nhập các điều kiện đã biết cho các dòng. Lưu ý rằng chữ và số có màu xanh là các giá trị được người sử dụng khai báo. Nếu cung cấp nhiều hơn tham số yêu cầu, thì sẽ xuất hiện thông báo lỗi. 14.2. Bài tập 2. Cải tiến quá trình của bài tập 1 Từ kết quả tính toán của bài tập 1 nhận thấy rằng nhiệt làm mát có giá trị tương đương nhiệt đun nóng. Như vậy có thể làm giảm năng lượng gia nhiệt dòng nguyên liệu đầu bằng cách tận dụng nhiệt của dòng sản phẩm. Tiến hành cải tiến quy trình bằng cách thêm thiết bị trao đổi nhiệt. Trình tự thực hiện trong PFD: 1. Bấm vào Heater trong PFD và thay đổi tên của dòng thành Pre-Heat. Đóng cửa sổ. 2. Bấm vào dòng R-Prod trong PFD. Worksheet dòng ra sẽ xuất hiện. Đổi tên dòng thành R-Prod1. 3. Bấm vào Cooler trong PFD và đổi tên dòng thành R-Prod2. 4. Thiết lập thiết bị trao đổi nhiệt và đặt tên là Pre-Heater, với các dòng Feed và Pre-Heat là dòng vào và dòng ra tube-side, các dòng R-Prod1 và RProd2 là dòng vào và dòng ra shell-side. Mở Parameter page. Khai báo giá trị Delta P bằng “0” cho cả tube side và shell side. Chọn Model Weighted Exchanger. Đóng cửa sổ. 5. Cần phải xác định thêm một tham số nữa. Mở Worksheet và thay đổi nhiệt độ của dòng Pre-Heat thành 600oF. 6. Có thể thay đổi nhiệt độ này để xem ảnh hưởng của nó tới Heat Duty và UA. Tăng nhiệt độ Pre-Heat có thể làm giảm H-Duty, nhưng nếu tăng UA, có nghĩa là cần lượng nhiệt lớn hơn với cùng diện tích bề mặt trao đổi nhiệt đó. Rõ ràng sẽ có giới hạn trên đối với Pre-Heater như thế nào là tốt cho quá trình trao đổi nhiệt này. Có thể thấy được điều này bằng cách thay đổi nhiệt độ và ghi lại sự thay đổi của các thông số khác. Điều này có thể thực hiện được bằng cách sử dụng Databook, trình tự theo các bước sau: 129
Hình 14.2. Giao diện PFD đã cải tiến 14.3. Bài tập 3. Quá trình có sử dụng công cụ logic Recycle Etyl clorua được sản suất từ HCl và etylen, phản ứng thực hiện trong pha khí trên xúc tác clorua đ ng mang trên silica: C2H4 + HCl C2H5Cl Dòng nguyên liệu có thành phần g m 50% mol HCl, 48% mol C2H4, và 2% mol N2 với lưu lượng dòng 100 kmol/h, nhiệt độ 25 oC, và áp suất 1 atm. Phản ứng đạt độ chuyển hoá 90% mol, etyl clorua được tách khỏi hỗn hợp khí chưa phản ứng, và sau đó được tuần hoàn lại. Quá trình tách sản phẩm sử dụng tháp chưng luyện, giả định là quá trình tách triệt để. Quá trình tiến hành ở áp suất khí quyển, và độ giảm áp được bỏ qua. Để ngăn ngừa sự tích tụ của khí trơ trong hệ thống, dòng khí thải W có lưu lượng là 10 kmol/h. Đánh giá ảnh hưởng của lưu lượng dòng khí thải W đến dòng tuần hoàn R và thành phần hỗn hợp khí phản ứng. Trình tự mô phỏng Đây là hướng d n ngắn. Sẽ khó hiểu nếu chưa hoàn thành các phần trước. 130 1. Khởi động HYSYS, chọn Peng Robinson EOS cho Fluid Package. Mở Component tab để chọn components (ethylene hoặc ethene), hydrogen_chloride, ethyl_chloride, và nitrogen). Đóng cửa sổ. 2. Bấm phím Enter Simulation Environment. Chọn Mixer trong Object Palette và đưa vào Process Flow Diagram (PFD). Làm tương tự với Conversion Reactor, Component Splitter, Tee, và Recycle như trên hình 14.3. 3. Đặt tên tất cả các dòng như trên hình 14.3. 4. Bấm Flowsheet/Reaction Package. Add Global Rxn Set. Sau đó bấm phím Add Rxn, và chọn Conversion. Add Components (ethylene, hydrogen_chloride, và ethyl_chloride) và Stoich Coeff (-1, -1, 1). Chuyển sang Basis tab, và nhập giá trị 90 cho Co với Ethylene là cấu tử cơ bản (basis). Đóng cửa sổ. Trở về giao diện Reaction Package, bấm phím Add Set. Đóng cửa sổ. Trở về PFD. 5. Nhắp đúp vào Conversion Reactor. Chọn Global Rxn Set trong ô Reaction Set. Đóng cửa sổ. 6. Nhắp đúp vào Recycle và đặt các tham số trong Parameter/Tolerance tất cả bằng “1”. 7. Trong đầu bài giả sử rằng quá trình tách là triệt để, ethyl_chloride đã thu được trong sản phẩm đáy tháp có độ tinh khiết 100%, còn ba cấu tử khác trong sản phẩm đỉnh tháp. Trong trường hợp này sẽ sử dụng Component Splitter. Để khai báo thông tin này, nhắp đúp vào Component Splitter chọn Splits page của Design tab, điền giá trị “0” cho ClC2 và “1” cho ba cấu tử còn lại. 8. Mở Workbook. Kiểm tra hệ đơn vị đo đang hiển thị là hệ đơn vị SI. Nếu không, có thể thay đổi hệ đơn vị đo bằng cách bấm vào Tools/Preferences/Variables. Chọn hệ SI, bấm phím Clone và thay đổi các đơn vị trong hệ nếu thấy cần thiết để thuận tiện cho việc tính toán. 9. Điền vào Workbook các điều kiện đầu bài đã cho, bắt đầu từ Feed Stream: temperature (25 oC), pressure (1 atm), và molar flow (100 kgmole/hr). Nhắp đúp vào 100 (molar flow rate), điền thành phần các cấu tử. Đóng cửa sổ. 10. Tiếp tục điền vào Workbook dòng R* có lưu lượng dòng bằng “0”, các điều kiện và thành phần cấu tử như dòng nguyên liệu feed, để khởi động tính toán quá trình. Điền các giá trị temperature (25oC) cho các dòng S3, S4, và P. Điền giá trị pressure (1 atm) cho các dòng S4 and P. 11. Khai báo giá trị molar flow rate cho dòng W là 10 kgmole/hr. 12. Bây giờ có thể mở Workbook để đọc kết quả tính toán. 131 R R* Hình 14.3. PFD quá trình sản xuất etyl clorua từ etylen và HCl 14.4. Bài tập 4. Sản xuất etylen oxit Quá trình sản xuất etylen oxit được thực hiện theo các bước sau: Dòng nguyên liệu bao g m khí etylen (63% mol) và O2 tinh khiết (37% mol) ở 20 C và 303 kPa, được đưa vào hệ thống thiết bị phản ứng oxi hoá với lưu lượng dòng là 120 kmol/h cộng với dòng h i lưu khí/dòng hơi (được xác định bởi HYSYS). Phản ứng được tiến hành với xúc tác rắn và trong điều kiện đẳng nhiệt ở 230oC. Dòng nguyên liệu phải được gia nhiệt ở pre-heated tới 230oC trước khi đưa vào thiết bị phản ứng oxi hoá. o Phản ứng có tính chọn lọc khá cao, nhưng lại đi k m với phản ứng phụ đốt cháy etylen trên xúc tác. Hệ số tỷ lượng của các phản ứng như sau: Phản ứng chọn lọc C2H4 + 0,5O2 C2H4O Phản ứng phụ C 2 H4 + 3O2 2CO2 + 2H2O Trong phản ứng chọn lọc, oxy là chất phản ứng chính (key reactant) cơ sở để xác định độ chuyển hoá, là 80%, trong khi ở phản ứng phụ thì độ chuyển hoá của oxy chỉ có 19%. Độ giảm áp trong thiết bị phản ứng là 70 kPa. Dòng sản phẩm nóng được làm lạnh tới -1oC (trong thực tế sự chênh lệch nhiệt độ rất lớn như thế này chỉ có thể có được bằng cách trao đổi trực tiếp, tức là bằng hệ thống “tôi”). Độ giảm áp tại Condenser là 50 kPa. Với điều kiện như vậy, 132 dòng sản phẩm có phần hơi (vapour fraction) là 0.8 và bắt đầu được thu h i bằng cách ngưng tụ etylen oxit. Dòng sản phẩm lạnh được đưa tới tháp tách 3-phase separator và pha lỏng nh được tách ra khỏi chất lỏng nặng và pha hơi. HYSYS thường để nước trong pha lỏng nặng, còn các dòng khác không có nước. Pha hơi giàu etylen nhưng v n chứa một ít etylen oxit. Vì vậy hơi dư này sẽ được tiếp tục làm lạnh tới – 30oC để làm giảm phần hơi (độ giảm áp khi qua làm lạnh là 10 kPa) và dòng lạnh được d n tới tháp tách 2 phase separator (flash drum). Dòng lỏng giàu etylen oxit được trộn với dòng hữu cơ-nước (organic-aqueous) từ đáy tháp tách 3-phase separator (áp suất của dòng tổng lấy theo dòng có áp suất thấp nhất) và hỗn hợp được đưa tới tháp chưng luyện. Tháp chưng luyện có ngưng tụ một phần (Partial Condenser) và sản phẩm là dòng etylen oxit tinh khiết (>99% mol). Dòng hơi từ đỉnh tháp tách hai pha (flash drum) được qua van điều chỉnh giảm tới 101 kPa trước khi đưa tới Component Splitter (là tháp đệm có đệm alumina đặc biệt để hấp phụ CO2/O2 từ dòng khí, còn ethylene và ethylene oxide không bị hấp phụ sẽ tiếp tục được d n đi. Trong thực tế thiết bị này là tháp hấp phụ có van xoay, tại đó CO2/O2 được rửa sạch khi nhả hấp phụ ở nhiệt độ cao và áp suất thấp). Dòng khí hữu cơ giàu etylen được nén tới 303 kPa và được tuần hoàn lại trộn với dòng nguyên liệu phản ứng. Trong HYSYS yêu cầu sử dụng công cụ Recycle để mô phỏng quá trình có tuần hoàn hỗn hợp khí chưa phản ứng. Công cụ này sẽ tính toán lưu lượng dòng tuần hoàn. Thông thường khi Recycle được cài đặt, ban đầu lưu lượng dòng bằng 0 vì chưa biết. Sau đó HYSYS sẽ tính toán giá trị chính xác bằng phép tính lặp. Thực hiện mô phỏng Sử dụng HYSYS tạo flowsheet để mô phỏng quá trình. Đối với bài tập này sử dụng các thông tin sau kết hợp với các thông tin được cung cấp ở trên: 1. Sử dụng NRTL activity model cho pha lỏng và SRK EOS cho pha hơi. 2. Sử dụng Conversion Reactor trong HYSYS để mô phỏng 3. Column có partial condenser và 12 đĩa, đĩa tiếp liệu là đĩa thứ 6. 4. Column có áp suất condenser 101 kPa và reboiler 160 kPa. 5. Tính toán tháp theo phương pháp lần lượt theo từng đĩa, khai báo các tham số ban đầu như sau: a. Toàn bộ nước ở trong sản phẩm lỏng (mole fraction bằng “1”) b. Trong sản phẩm lỏng đỉnh tháp có 90% etylen oxit (0.9 mol frac). Đây là sản phẩm chính của công nghệ. 133
6. Chuyển sang Worksheet tab và điền giá trị tham số của dòng F như đầu bài đã cho. Đóng cửa sổ này lại. 7. Nhắp đúp vào biểu tượng tháp chưng trong PFD. Bấm phím Run. Nếu các bước trên thực hiện đúng tháp sẽ hội tụ. Đọc kết quả tính toán. 8. Trong đầu bài yêu cầu bảo đảm thu h i propan trong sản phẩm đỉnh phải là 191 lbmole/h và butan trong sản phẩm đáy là 365 lbmole/h. Bây giờ mở Monitor page và bấm phím Add Spec ở phía dưới cửa sổ. Chọn Column Component Flow và điền giá trị cho dòng sản phẩm đỉnh D vào cửa sổ hiển thị. Đóng cửa sổ. Lặp lại tương tự cho dòng sản phẩm đáy B. 9. Sau khi đã thêm các tham số cho dòng, danh sách các tham số được kích hoạt đã được cập nhật trong Monitor page, hai tham số mới được kích hoạt và hai tham số khác được bỏ kích hoạt, đảm bảo bậc tự do bằng 0. 10. Mở Workbook đọc kết quả tính toán. 135 GIẢI NGHĨA MỘT SỐ CỤM TỪ TIẾNG ANH TRONG MÔ PHỎNG Binary Interaction Parameters (BIP) - Hệ số tương tác bậc hai Case tên gọi chung một bài mô phỏng. Case Studies công cụ được sử dụng để nghiên cứu các thông số công nghệ, các tính chất của dòng nguyên liệu,… Converged hội tụ, thông báo cho biết quá trình tính toán đã hoàn thành. Databook bảng tóm tắt các dữ liệu. Dynamic Modelling mô phỏng động, mô phỏng thiết bị hoặc công nghệ đang trong quá trình vận hành liên tục có sự thay đổi của các thông số công nghệ theo thời gian. Flowsheet lưu trình, biểu diễn sơ đ công nghệ được mô phỏng trong PFD. Fluid Package hệ nhiệt động. Heat Exchanger Design (End Point Model) Mô hình thiết kế mô phỏng thiết bị trao đổi nhiệt tuyến tính, U = const, C p = const. Heat Exchanger Design (Weighted Model) Mô hình thiết kế mô phỏng thiết bị trao đổi nhiệt phi tuyến, ngược chiều. Heat Exchanger Duty Q = UADTLMFt Nhiệt năng trao đổi trong thiết bị trao đổi nhiệt được tính theo công thức, trong đó: U Overall Heat Transfer Coefficient - hệ số truyền nhiệt chung; A Surface Area available for Heat Transfer - diện tích bề mặt truyền nhiệt; UA the proportionality factor - tích số UA là hệ số tỷ lệ (hệ số trao đổi nhiệt); DTLM log mean temperature difference (LMTD) - logarit chênh lệch nhiệt độ. Ft LMTD correction factor - hệ số hiệu chỉnh. Hypothetical Component cấu tử giả được xây dựng theo các giả thiết. Object Palette bảng có biểu tượng các công cụ mô phỏng. Process Flow Diagram (PFD) sơ đ công nghệ được mô phỏng trong môi trường mô phỏng. Pressure Drop Độ giảm áp. Reactor Continuously Stirred Tank (CSTR) thiết bị phản ứng khuấy liên tục (thiết bị phản ứng khuấy lý tưởng). Reactor Plug Flow (PFR) thiết bị phản ứng dòng (thiết bị phản ứng đẩy lý tưởng). Simulation Basis Manager Giao diện quản lý cơ sở mô phỏng, được sử dụng khi lựa chọn cấu tử, hệ nhiệt động, hệ phản ứng, đơn vị đo. 136 Simulation Enviroment môi trường thực hiện mô phỏng PFD. Steady State Modelling mô phỏng tĩnh, nghiên cứu mô phỏng quá trình công nghệ. Subflowsheet lưu trình con (của tháp chưng luyện hoặc tháp hấp thụ). Water Gas Shift (WGS) phản ứng chuyển hoá CO thành CO2 bằng hơi nước. Workbook bảng tóm tắt các tham số của dòng (tương tự Worksheet). Worksheet bảng tóm tắt các tham số của dòng (tương tự Workbook). 137 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Elliott and Lira. Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics. Prentice Hall, 1999. 2. R. Perry, Engineer’s Handbook of Chemical Engineering, Mc. Graw-Hill Book Company Inc, 1999, 2005. 3. Buckley P. S., Luyben W. L., Shunta J. P. Design of distillation column control. Edward Arnold, Instrument Society of America, USA, 1985. 4. Coker A. K. Modeling of Chemical Kinetics and Reactor Design. Boston, Gulf Professional Publishing, 2001. 5. Luyben W. L. Process Modeling, Simulation and Control for Chemical Engineers. Mc. Graw Hill, 1990. 6. Hysys Steady State Modeling Documents. 7. Mohd Kamarudin Abd Hamid. Hysys: An Introduction to Chemical Engineering Simulation. Jonor, Malaysia 2007. |
