Hysys trong mô phỏng Công nghệ hóa học 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 (<10 mmHg), Braun K10, Esso K Lee Kesler Plocker PR, ZJ hoặc GS Steam Package, CS hoặc GS PR Activity Models, PRSV PRSV, NRTL PR Kabadi Danner MBWR PR = Peng-Robinson; PRSV = Peng-Robinson Stryjek-Vera; GS = Grayson-Streed; ZJ = Zudkevitch Joffee; CS = Chao-Seader; NRTL = Non-Random-Two-Liquid MBWR = Modified Benedict Webb Rubin. 19 Trong các ứng dụng với dầu, khí và hoá dầu phương trình trạng thái PengRobinson nói chung được ứng dụng phổ biến cho các hệ nhiệt động. Để biết chi tiết hơn có thể đọc thêm trong tài liệu hướng d n sử dụng HYSYS (Aspen HYSYS Simulation Basic Manual). 2.7. Vào môi trƣờng mô phỏng Sau khi đã hoàn thành các bước chuẩn bị cần thiết để bắt đầu chương trình mô phỏng trong giao diện Simulation Basis Manager như trong mục 2.3, 2.4 và 2.5, bấm vào phím Enter Simulation Environment ở bên phải phía dưới giao diện hoặc bấm vào biểu tượng trên hình 2.6. trên thanh công cụ để vào môi trường mô phỏng như mô tả Hình 2.6. Enter Simulation Environment 1. Thao tác trong lưu trình mô phỏng Khi vào môi trường mô phỏng, sẽ thấy giao diện như hình 2.7 dưới đây. Trước khi bắt đầu quá trình xây dựng lưu trình mô phỏng cần chú ý vài đặc điểm của cửa sổ mô phỏng:  HYSYS khác với phần lớn các gói mô phỏng khác, sẽ thực hiện tính toán lưu trình (flowsheet) sau mỗi bước nhập hay thay đổi thông số của lưu trình (flowsheet). Đặc điểm này có thể dừng khi bấm vào biểu tượng Solver Holding (phím đ n đỏ ) trên thanh công cụ phía trên màn hình. Khi đó 20 HYSYS sẽ không tính toán và sẽ không đưa ra kết quả. Để tiếp tục tính toán, phải bấm vào biểu tượng Solver Active (phím đ n xanh trình mô phỏng bắt đầu hoạt động trở lại. ), chương  Không giống với các quá trình mô phỏng khác, HYSYS có khả năng tính toán xuôi dòng và ngược dòng. Vì vậy cần đặc biệt chú ý khai báo các tham số cho lưu trình (flowsheet) phải đảm bảo rằng các thông tin được cung cấp cho HYSYS không mâu thu n với nhau. Nếu không sẽ bị lỗi và HYSYS sẽ không thể tính toán được. Hình 2.7. Giao diện Simulation Environment 2. Trở lại giao diện cơ sở mô phỏng Khi phải thay đổi cơ sở mô phỏng, cần phải quay lại giao diện Simulation Basis Manager. Thao tác đơn giản bấm vào biểu tượng trên màn hình. trên thanh công cụ phía 3. Nhỡ tay đóng lưu trình PFD Đôi khi nhỡ tay bấm nhầm vào biểu tượng X màu đỏ góc trên bên phải giao diện. Để trở lại lưu trình chỉ cần bấm vào Tools trên thanh menu chính, chọn PDFs trong danh sách thả xuống, chọn Case, sau đó bấm vào phím View, hoặc bấm vào phím PFD trên thanh công cụ. 21 4. Bảng các công cụ mô phỏng Trong hình 2.8 có thể nhìn thấy bảng có chứa các công cụ phục vụ cho việc xây dựng lưu trình mô phỏng PFD, gọi là Object Palette, nằm dọc phía bên phải màn hình. Nếu vì lí do nào đó không nhìn thấy Object Palette, thì có thể đưa ra màn hình bằng cách bấm vào Flowsheet trên thanh menu chính, trong danh sách thả xuống chọn Palette, hoặc có thể bấm phím nóng F4. Từ các công cụ trong bảng này có thể nhập dòng hoặc các công cụ mô phỏng khác cho lưu trình PFD. Hình 2.8. Giao diện PFD với Object Palette 2.8. Khởi tạo dòng vật chất Các dòng vật chất trong PFD được mô phỏng bằng Material Stream. Một dòng vật chất được khởi tạo trong lưu trình bằng một trong ba cách sau:  Bấm vào biểu tượng m i tên màu xanh trong Object Palette.  Chọn Flowsheet trên menu chính và chọn Add Stream trong danh sách.  Bấm vào phím nóng F11 Khi sử dụng một trong các phương pháp trên, có thể khởi tạo dòng vật chất (m i tên màu xanh) vào lưu trình mô phỏng như mô tả trên hình 2.9. HYSYS mặc định tên của dòng theo số thứ tự tăng dần (ví dụ, dòng đầu tiên sẽ tự động được đặt tên là “1”). Tên của dòng có thể thay đổi bất cứ khi nào cần. 1. Khai báo các tham số của dòng Để khai báo các tham số cho dòng vật chất, nhắp đúp chuột vào dòng (m i tên màu xanh nhạt) để hiện ra cửa sổ như hình 2.10. Trong cửa sổ này người sử 22 dụng sẽ khai báo các tham số cho dòng. Nếu là dòng nguyên liệu thì cần có bốn tham số. Trong môi trường HYSYS dòng nguyên liệu luôn có bốn bậc tự do. Nghĩa là phải cung cấp đầy đủ bốn thông tin yêu cầu để HYSYS có thể thực hiện tính toán. Bốn tham số cần khai báo cho dòng nguyên liệu là: composition, flowrate và hai trong số các tham số sau temperature, pressure hay vapor/phase fraction. Hình 2.9. Khởi tạo dòng vật chất trong PFD Hình 2.10. Cửa sổ khai báo các tham số của dòng 23 Trong hình 2.10 có một dòng cảnh báo lỗi màu vàng phía bên dưới cửa sổ, cho biết thông tin cần phải thực hiện. Ví dụ theo dòng cảnh báo trên hình 2.10, việc đầu tiên cần làm ngay là cung cấp thành phần các cấu tử của dòng nguyên liệu. Chọn Composition trong danh sách hiển thị trong cửa sổ của hình 2.11, tại đây sẽ khai báo thành phần các cấu tử trong dòng nguyên liệu. Lưu ý rằng chỉ có Composition đã chọn trong Simulation Basic Manager thì mới hiển thị trong danh sách này. Có thể xác định composition theo nhiều cách khác nhau bấm vào phím “Basis…”. HYSYS mặc định là mole fractions, tuy nhiên người dùng có thể thay đổi bằng mass fractions, liquid volume fractions, hoặc flow cho từng cấu tử. Nếu sử dụng fractions, tổng tất cả các fractions được nhập vào dòng phải bằng “1”. Nhập thành phần của dòng 1 như trong hình 2.11 chỉ rõ phần mol của H 2O bằng “1”, nghĩa là dòng 1 chỉ có nước. Hình 2.11. Cửa sổ nhập Composition Tiếp theo, xuất hiện tin nhắn cảnh báo thứ hai (trong băng màu vàng phía dưới cửa sổ) cho thấy rằng cần nhập nhiệt độ cho dòng. Để khai báo nhiệt độ cho dòng bấm vào Conditions ở trong cửa sổ của hình 2.12. Tại cửa sổ này người sử dụng sẽ nhập giá trị nhiệt độ của dòng. Khi nhập giá trị các tham số của dòng không cần thiết phải đổi sang đơn vị mặc định. Khi nhập giá trị vào một ô sẽ xuất hiện hộp danh sách thả xuống có tất cả 24 các đơn vị tương ứng ngay bên cạnh ô đó, người dùng có thể lựa chọn đơn vị phù hợp, sau đó HYSYS sẽ tự động chuyển đổi đơn vị. Ví dụ nhập số 25 vào ô ứng với nhiệt độ 25 oC (bằng 77 oF) như trên hình 2.12. Hình 2.12. Nhập giá trị nhiệt độ dòng trong cửa sổ Conditions Tiếp theo, dòng cảnh báo (trên băng màu vàng phía dưới cửa sổ) chỉ ra rằng cần phải nhập giá trị áp suất của dòng. C ng trong cửa sổ này, nhập giá trị áp suất cho dòng 1 là 1 bar như trong hình 2.13. Tiếp theo, tham số cuối cùng cần khai báo là lưu lượng dòng. Có hai chọn lựa khác nhau hoặc là lưu lượng dòng mol (mole flowrate) hoặc lưu lượng dòng khối lượng (mass flowrate) trong cùng một cửa sổ. Trong trường hợp này chọn mole flowrate bằng 100 kmol/h, như trong hình 2.14. Sau khi hoàn thành việc khai báo đầy đủ tất cả các thông tin, HYSYS sẽ tự động tính toán các tính chất còn lại của dòng và từ các thông tin đã cung cấp đủ để bắt đầu xây dựng lưu trình mô phỏng (Flowsheet). Khi dòng nguyên liệu được cung cấp đầy đủ thông tin thì sẽ xuất hiện một thông báo màu xanh ở phía dưới cửa sổ báo hiệu là mọi thứ đã hoàn tất OK (như trên hình 2.14). Nếu không thì trong cửa sổ sẽ xuất hiện một cảnh báo màu vàng, thông tin cung cấp bị lỗi. 25 Hình 2.13. Nhập giá trị áp suất dòng trong cửa sổ Conditions Hình 2.14. Nhập giá trị lưu lượng dòng trong cửa sổ Conditions 26 Phần mol hơi (vapor/phase fraction) của dòng bằng bao nhiêu? Những giá trị màu xanh là do người sử dụng nhập vào và vì thế có thể thay đổi được, còn những giá trị màu đen là do HYSYS tính toán nên không thể thay đổi được. Như trong hình 2.14 các giá trị nhiệt độ, áp suất, lưu lượng dòng là do người sử dụng nhập vào nên có thể thay đổi được, còn các giá trị còn lại là do HYSYS tính toán. Nhìn vào màu sắc của các dòng vật chất c ng có thể biết được dòng đó đã đầy đủ thông tin hay chưa Màu xanh đậm = Dòng đã được cung cấp đầy đủ thông tin Màu xanh nhạt = Thông tin chưa đầy đủ. Vì thế nếu m i tên có màu xanh đậm có nghĩa là tất cả các tính chất đã được tính toán. Bất cứ khi nào việc xác định và tính toán các tính chất của dòng có thể xem và thay đổi bằng cách đơn giản là nhắp đúp vào dòng. 2. Lưu vào thư mục xác định 2.9. Tóm tắt và ôn tập chƣơng 2 Trong phần đầu tiên của chương đã giới thiệu cách bắt đầu HYSYS như thế nào, làm quen được với môi trường mô phỏng và đã trình bày cách nhập thành phần các cấu tử trong mô phỏng như thế nào. Việc chọn lựa chính xác fluid/themodynamic package là rất quan trọng vì vậy trong chương này c ng đã đưa ra một sơ đ hình cây gợi ý giúp người sử dụng chọn đúng được hệ nhiệt động phù hợp. Phần tiếp theo của chương này chỉ cách làm thế nào để vào và trở lại môi trường mô phỏng, làm quen với simulation flowsheet, hơn nữa trong phần này người sử dụng có thể rút ra được một số điểm quan trọng của HYSYS. Trong phần cuối của chương này đã đề cập đến các cách nhập và khai báo dòng nguyên liệu trong mô phỏng. Cách khai báo các tham số là một bước rất quan trọng trong mô phỏng, cần hiểu và thực hiện đúng trong từng trường hợp cụ thể. Khi người sử dụng muốn khai báo dòng nguyên liệu cần xác định ít nhất bốn tham số thì HYSYS có thể tính toán được các tính chất còn lại . 2.10. Bài tập 1. Thiết lập một dòng vật liệu chỉ có H2O với các điều kiện sau:  Fluid Package: Peng-Robinson 27  Flowrate : 100 kgmole/h  Pressure : 1 atm  Vapor/phase fraction : 1.0 Nhiệt độ của dòng bằng bao nhiêu? 2. Làm lại bài toán trên, thay áp suất bằng nhiệt độ là: 150ºC Áp suất của dòng bằng bao nhiêu? 3. Với cùng bài toán 2 nhưng giảm nhiệt độ xuống 70ºC Áp suất của dòng bây giờ bằng bao nhiêu? 4. Tạo một dòng mới chỉ có H 2O với các điều kiện sau:  Fluid Package : Peng-Robinson  Flowrate : 100 kgmole/h  Pressure : 2 atm  Vapor/phase fraction: 1.0 Nhiệt độ của dòng này bằng bao nhiêu? 5. Với cùng điều kiện trên nhưng tăng áp suất lên 5 atm Nhiệt độ của dòng lúc này bằng bao nhiêu? 6. Với cùng điều kiện như bài 4, tăng áp suất lên 0,5 atm Nhiệt độ của dòng mới bằng bao nhiêu? 7. Có thể rút ra được kết luận gì từ các bài toán trên (bài 2.1  bài 2.6). 28 Chƣơng 3 PHƢƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI Nội dung Khi tính toán các phương trình các trạng thái cho phép xác định được thể tích của hỗn hợp khí tại điều kiện nhiệt độ và áp suất xác định. Nếu không sử dụng các phương trình trạng thái thì hầu như không thể thiết kế được các nhà máy hoá chất. Bởi vì từ việc xác định thể tích này có thể tính toán được kích thước và hơn nữa là giá thành của các nhà máy đó. HYSYS có các phương trình trạng thái như Peng-Robinson (PR) và SoaveRedlich-Kwong (SRK). Trong đó, phương trình Peng-Robinson được sử dụng trong khoảng biến đổi rộng nhất của các thông số công nghệ và với các hệ đa dạng nhất. Từ các phương trình Peng-Robinson (PR) và Soave-Redlich-Kwong (SRK) trực tiếp tính toán ra tất cả các tính chất cân bằng và các tính chất nhiệt động của hệ. Các phương trình PR và SRK có chứa các hệ số tương tác bậc hai cho tất cả các cặp hydrocacbon-hydrocacbon (tập hợp các tham số tương tác tạo liên kết và không tạo liên kết) và hầu hết các cặp bậc hai hydrocacbon – phi hydrocacbon. Trong chương này sẽ hướng d n người sử dụng khai báo thể tích của hỗn hợp khí tại điều kiện nhiệt độ và áp suất xác định. Đ ng thời sẽ chỉ d n cách phân tích tính chất của các cấu tử khi sử dụng Case Study Utility. Mục tiêu Sau khi học xong người sử dụng có thể :  Xác định được thể tích của các cấu tử riêng biệt hay hỗn hợp cấu tử.  So sánh kết quả với các phương trình trạng thái khác nhau.  Xem lại kết quả bằng Workbook.  Phân tích các tính chất bằng case studies. Yêu cầu Trước khi học chương này người sử dụng cần phải biết:     Cách vào HYSYS. Chọn cấu tử. Xác định và chọn fluid package. Nhập và xác định dòng nguyên liệu (material stream). 29 3.1. Phƣơng trình trạng thái – Các biểu thức toán học Phương trình trạng thái thể hiện mối tương quan giữa áp suất nhiệt độ và thể tích được thể hiện qua phương trình cân bằng : pV = nRT hoặc pv = RT trong đó  V n Trong đó p là áp suất tuyệt đối, V là thể tích, n là số mol, R là hằng số khí lý tưởng, T là nhiệt độ tuyệt đối. Đơn vị của R được lựa chọn sao cho phù hợp với các đơn vị của các biến khác. Phương trình này phù hợp khi áp suất thấp (ví dụ 1 atm). Tuy nhiên nhiều quá trình hoá học lại thực hiện tại một áp suất rất cao. Trong điều kiện đó thì phương trình này không phù hợp để tính toán. Vì thế đã có nhiều phương trình trạng thái khác được phát triển nhằm mô tả được các quá trình hoá học thực hiện ở áp suất cao. Sự mở rộng đầu tiên định luật khí lý tưởng là phương trình trạng thái van der Waals: RT a p  b  Sự mở rộng này là bước ngoặt đầu tiên, tuy nhiên phương trình này chưa thể đáp ứng được trong điều kiện áp suất rất cao. Phương trình trạng thái RedlichKwong (RK) là sự biến đổi phương trình trạng thái van der Waals và sau đó đã tiếp tục được biến đổi bởi Soave được mang tên là phương trình trạng thái SoaveRedlich-Kwong (SRK), được sử dụng rộng rãi trong các quá trình mô phỏng. Một dạng khác của phương trình trạng thái RK là phương trình trạng thái Peng-Robinson (PR) c ng được sử dụng rất phổ biến. Bảng 3.1 dưới đây đưa ra so sánh các công thức sử dụng trong HYSYS của các phương trình trạng thái PR và SRK. 3.2. Thực hiện mô phỏng Bài toán: Tìm thể tích của n-butan tại 500 K và 18 atm, sử dụng các phương trình trạng thái Soave-Redlich-Kwong (SRK) và Peng-Robinson (PR). Trình tự thực hiện như sau: 1. Khởi động HYSYS 2. Mở new case sử dụng một trong ba cách sau: chọn từ thanh menu chính File  New  Case, hoặc sử dụng phím tắt Crtl-N, hoặc bấm vào biểu tượng New trên thanh công cụ. 30 Bảng 3.1. So sánh phương trình trạng thái SRK và PR Soave-Redlich-Kwong P RT a    b  (  b) Peng - Robinson P RT a    b  (  b)  b(  b) Z 3  Z 2  ( A  B  B 2 ) Z  AB  0 Z 3  (1  B) Z 2  ( A  2 B  3B 2 ) Z  ( AB  B 2  B 3  0 Trong đó N N  xi bi b=  xi bi i 1 0.08664 bi= i 1 RTci Pci N N 0.5 a =  xi x j (ai a j ) (1  kij ) i 1 j 1 0.077796 N N  xi x j (ai a j ) 0.5 (1  kij ) i 1 j 1 acii ai = RTci Pci acii ( RTci ) 2 Pci ( RTci ) 2 Pci aci = 0.42748  i0.5 1  mi (1  Tri0.5 ) 1  mi (1  Tri0.5 ) mi = 0.48  1.574i  0.176i2 0.37646  1.54226i  0.26992i2 0.457235 aP A= (RT ) aP 2 (RT ) 2 bP RT B= bP RT 3. Thiết lập cơ sở mô phỏng Trong giao diện Simulation Basis Manager (xem trong chương 2 đã trình bày chi tiết) điền các thông tin cho trong bảng sau. Tab Chọn Property Package Soave-Redlich-Kwong (SRK) Components n-butane Khi đã hoàn thành, bấm vào phím Enter Simulation Environment, bây giờ đã sẵn sàng để bắt đầu mô phỏng. 31 4. Tạo lập dòng vật chất Có một số cách khác nhau để tạo một Stream: bấm phím nóng F11, hoặc bấm vào biểu tượng Stream trên Object Palette, hoặc chọn Flowsheet trên menu chính và chọn Add Stream trong danh sách.  Khai báo các tham số của dòng Nhập vào Stream với các giá trị sau: Trong ô này Nhập giá trị … Name 1 Temperature 500 K Pressure 18 atm Compositions n-butane 100% Molar Flow 100 kgmole/h  Lưu và đặt tên EOS SRK. Khi hoàn thành dòng sẽ có giao diện như hình 3.1. Hình 3.1. Hoàn thành thiết lập dòng vật chất 5. Đọc kết quả tính toán trong Workbook  Bấm vào Tools trên thanh menu chính, chọn Workbook hoặc bấm phím nóng Crtl+W như biểu diễn trên hình 3.2. 32 Hình 3.2. Thao tác mở Workbook để xem kết quả tính toán  Sau đó bấm vào View và Workbook xuất hiện như trên hình 3.3. Hình 3.3. Cửa sổ Workbook  Trong HYSYS thể tích được khai báo là Molar Volume nhưng trong Workbook trên hình 3.3 không thể hiện Molar Volume, vì vậy cần phải nhập thêm biến vào Workbook.  Để nhập Molar Volume hay một biến nào khác: mở Workbook, trên thanh menu chính của giao diện Workbook chọn Workbook, trong danh sách chọn Setup, sẽ xuất hiện cửa sổ như trên hình 3.4. 33 Hình 3.4. Cửa sổ Setup để nhập thêm biến vào Workbook  Trong Variables Tab bấm vào phím Add ở phía bên phải.  Cửa sổ để chọn biến sẽ được hiển thị như hình 3.5. Hình 3.5. Cửa sổ để chọn biến  Trong Variable tab cuốn dọc theo danh sách cho đến khi tìm thấy biến cần thêm vào Molar Volume, bấm phím OK để hoàn tất việc bổ sung biến vào Workbook. Đóng của sổ bằng biểu tượng X màu đỏ ở góc trên bên phải cửa sổ Select Variables for Main.  Giá trị của biến Molar Volume sẽ hiển thị trong Workbook như trong hình 3.6. Molar Volume của n-butane bằng bao nhiêu?___________________ 34 Hình 3.6. Workbook đã hiển thị giá trị biến Molar Volume 6. Sử dụng Case Studies để phân tích các tính chất của n-butan Sau khi đã hoàn thành bài mô phỏng, sử dụng để phân tích thể tích mol của n-butan khi nhiệt độ thay đổi.  Trên thanh menu chính, chọn Tool, trong danh sách thả xuống chọn Databook hoặc bấm phím nóng Ctrl+D như hình 3.7. Hình 3.7. Cách mở Databook  Sau đó, bấm phím Insert, sẽ hiển thị giao diện Variable Navigator như hình 3.8.  Trong cột Object chọn dòng 1, trong cột Variable chọn Molar Volume. Sau đó bấm vào phím OK (như biểu diễn trên hình 3.9). 35 Hình 3.8. Giao diện Variable Navigator Hình 3.9. Nhập biến Molar Volume  Thực hiện tương tự như bước 3 để nhập biến Temperature. Khi đó giao diện Databook sẽ xuất hiện như hình 3.10. Hình 3.10. Giao diện DataBook sau khi nhập Variables 36  Chuyển sang Case Studies tab. Điền các thông tin vào giao diện như trong hình 3.11 dưới đây. Hình 3.11. Điền thông tin vào Case Studies tab  Bấm vào phím View… và điền thông tin vào bảng trong giao diện như hình 3.12 dưới đây. Hình 3.12. Điền thông tin vào bảng  Bấm vào phím Start để phân tích kết quả. Khi quá trình phân tích hoàn thành, bấm vào phím Result để xem kết quả hiển thị như trên hình 3.13. Có thể rút ra được kết luận gì từ đồ thị trên hình 3.13 ?___________ Lưu Case với tên là EOS SRK vào thư mục xác định. 37 Hình 3.13. Kết quả phân tích 7. Thay đổi Fluid Package  Bấm phím Enter Basis Environment trên thanh công cụ để trở về giao diện Simulation Basis Manager ban đầu.  Vào Prop Pkg tab, trong danh sách bên trái cửa sổ, cuốn dọc theo danh sách và chọn Peng Robinson EOS.  Bấm vào m i tên màu xanh trên thanh công cụ để trở về PFD.  Các điều kiện của bài toán giữ nguyên, lưu Case với tên mới EOS PR.  Xem kết quả tính toán trong Workbook và Case Study. 3.3. Tóm tắt và ôn tập chƣơng 3 Trong Chương này đã giải quyết được vấn đề rất đơn giản là tìm thể tích riêng của một đơn chất bằng Aspen HYSYS. Khi sử dụng HYSYS các tham số được lưu trữ trong database (cơ sở dữ liệu) và việc tính toán đã được lập trình trước đó. Vì vậy điều quan trọng là biết cách sử dụng đúng các giao diện, các biểu đ . Trong chương này người dùng đã biết cách sử dụng Workbook để xem kết quả, Workbook là cách tốt nhất để hiển thị các thông tin dưới dạng bảng. Workbook được thiết kế nhằm mục đích đó và mở rộng ra cho việc nhập thông tin khi thực hiện bài toán mô phỏng. Thêm vào đó, Workbook hiển thị thông tin của các dòng và các thiết bị mô phỏng trong HYSYS (streams, pipes controllers, separators, …). Có thể sử dụng Case Study để phân tích tính chất của quá trình. Case Study còn được sử dụng để kiểm tra đánh giá khi thay đổi giá trị của các biến quan trọng 38 trong chương trình mô phỏng tĩnh. Sau khi Case Study hoàn thành tính toán, kết quả được biểu diễn ở dạng đ thị Có thể so sánh được kết quả tính toán từ hai hệ nhiệt động khác nhau là Peng-Robinson (PR) và Soave-Redlich-Kwong (SRK). 3.4. Bài tập 1. Tìm Molar Volume của khí amoniac ở 56 atm và 450 K sử dụng phương trình trạng thái Soave-Redlich-Kwong (SRK). 2. Tìm Molar Volume của khí metanol tại áp suất 100 atm và 300ºC sử dụng phương trình trạng thái Peng-Robinson (PR). So sánh Molar Volume của khí metanol khi sử dụng phương trình trạng thái Soave-Redlich-Kwong (SRK). 3. Cho một hỗn hợp khí đi vào thiết bị chuyển hoá khí bằng hơi nước (WGS) để sản xuất hydro: 630 kmol/h CO, 1130 kmol/h H 2O, 189 kmol/h CO2, 63 kmol/h H2. Áp suất hỗn hợp khí là 1 atm và nhiệt độ là 500K. Sử dụng phương trình trạng thái Soave-Redlich-Kwong (SRK) tính thể tích riêng của hỗn hợp khí. 4. Cho một hỗn hợp khí g m 25% amoniac và phần còn lại là nitro và hydro với tỉ lệ là 1:3, tại 270 atm và 550 K. Sử dụng phương trình trạng thái Peng-Robinson (PR) để tính thể tích riêng của hỗn hợp khí. 5. Cho hỗn hợp khí ra khỏi thiết bị phản ứng tổng hợp metanol có thành phần như sau: 100 kmol/h CO; 200 kmol/h H2; 100 kmol/h metanol. Hỗn hợp khí ở áp suất 100 atm và nhiệt độ 300ºC. Tính toán thể tích riêng của hỗn hợp sử dụng phương trình trạng thái Soave-Redlich-Kwong (SRK) và so sánh với kết quả tính toán khi sử dụng phương trình trạng thái Peng-Robinson (PR). 39 Chƣơng 4 BƠM Nội dung Trong chương này giải quyết vấn đề tìm nhiệt độ dòng ra của bơm khi biết công suất của bơm.  Làm quen với công cụ mô phỏng bơm trong HYSYS để thực hiện các quá trình trong đó có sử dụng bơm.  Học cách kết nối các dòng vào bơm.  Tính nhiệt độ dòng ra khi biết công suất của bơm hoặc ngược lại. Bơm được sử dụng để tăng áp suất của dòng lỏng vào. Tùy thuộc vào các tham số được khai báo ban đầu, sẽ tính toán nhiệt độ, hoặc áp suất chưa biết hoặc công suất của bơm. Mục tiêu Sau khi học xong chương này người sử dụng có thể:  Thiết lập được bơm trong HYSYS để mô phỏng các quá trình bơm.  Kết nối các dòng với thiết bị.  Xác định công suất của bơm và nhiệt độ dòng ra. Yêu cầu Trước khi học chương này người sử dụng cần phải biết: 40  Bắt đầu mô phỏng trong HYSYS.  Lựa chọn các cấu tử.  Xác định và lựa chọn hệ nhiệt động phù hợp cho fluid package.  Nhập và khai báo dòng vật liệu material stream. 4.1. Bài toán Bơm được dùng để vận chuyển chất lỏng. Bơm làm tăng áp suất của chất lỏng. Nước vào bơm có nhiệt độ 120ºC và áp suất 3 bar được đưa vào bơm hoạt động với công suất 10% định mức. Lưu lượng của dòng nước là 100 kmol/h và áp suất dòng ra khỏi bơm là 84 bar. Sử dụng phương trình trạng thái Peng-Robinson (PR) cho fluid package, hãy xác định nhiệt độ của dòng nước ra khỏi bơm. 4.2. Tiến hành mô phỏng bơm 1. Khởi động chương trình Hysys 2. Mở một New Case 3. Xây dựng cơ sở mô phỏng Trong giao diện Simulation Basis Manager (xem trong chương 2 đã trình bày chi tiết) Tab Chọn Property Package Peng-Robinson (PR) Components H2 O Khi đã hoàn thành, bấm vào phím Enter Simulation Environment, bây giờ đã sẵn sàng để bắt đầu mô phỏng. 4. Thiết lập dòng vật chất Có một số cách khác nhau để tạo một Stream: bấm phím nóng F11, hoặc bấm vào biểu tượng Stream trên Object Palette, hoặc chọn Flowsheet trên menu chính và chọn Add Stream trong danh sách. Nhập dòng nguyên liệu (Stream) với các giá trị sau: Trong ô này Nhập giá trị … Name Feed Temperature 120oC Pressure 3 bar Compositions H2O 100% Molar Flow 100 kgmole/h Nhập tiếp dòng thứ hai (Stream) với các tham số sau: 41 Trong ô này Nhập giá trị … Name Outlet Pressure 84 bar 5. Thiết lập thiết bị Có các cách khác nhau để tạo lập thiết bị trong HYSYS:  Sử dụng menu chính, chọn Flowsheet, trong danh sách thả xuống chọn Add Operation hoặc bấm phím F12. Giao diện các thiết bị mô phỏng UnitOps sẽ xuất hiện. Lựa chọn thiết bị cần thiết.  Mở Workbook, vào UnitOps page, bấm phím Add UnitOp. Giao diện các thiết bị mô phỏng UnitOps sẽ xuất hiện. Lựa chọn thiết bị cần thiết.  Sử dụng Object Palette: từ Flowsheet menu, chọn Open, hoặc bấm phím F4. Nhắp đúp vào biểu tượng thiết bị cần sử dụng.  Sử dụng phím phải chuột bấm vào biểu tượng thiết bị cần sử dụng từ Object Palette và đưa vào PFD. Sử dụng một trong các cách trên để thiết lập bơm trong PFD. Khi đó giao diện PFD sẽ xuất hiện như hình 4.1. Hình 4.1. Khởi tạo các dòng và bơm trong PFD 42 6. Nối bơm với các dòng Nhắp đúp vào biểu tượng bơm Pump P-100 để mở giao diện thuộc tính của bơm (Pump Window Property) như hình 4.2. Các page Các tab Hình 4.2. Cửa sổ thuộc tính của bơm Trong Design tab, vào Connection page, trong ô Inlet chọn Feed từ danh sách và trong ô Outlet chọn Outlet từ danh sách như hình 4.3. Hình 4.3. Nối bơm với các dòng 43 Như trên hình 4.3, phía bên dưới cửa sổ xuất hiện thông báo lỗi (trong băng màu đỏ) cho biết rằng cần nhập năng lượng cho bơm. Để nhập năng lượng cho bơm, vào ô Energy và thêm chữ Work như trong giao diện hình 4.4. Hình 4.4. Khởi tạo dòng năng lượng cho bơm Khi đầy đủ thông tin sẽ có thông báo OK màu xanh cho biết việc kết nối bơm với các dòng vật chất và dòng năng lượng đã hoàn thành (hình 4.4). Bơm yêu cầu cung cấp đủ tham số của dòng vào, còn dòng ra chỉ yêu cầu khai báo giá trị áp suất 7. Khai báo tham số công suất của bơm Công suất mặc định của bơm là 75% định mức, theo đầu bài công suất của bơm chỉ có 10% định mức, cần phải thay đổi giá trị này. Trong giao diện thuộc tính của bơm, trên Design tab vào Parameters page, trong ô Adiabatic Efficiency nhập giá trị 10% (như trong hình 4.5). 44 Hình 4.5. Thay đổi công suất của bơm Khi đó thông tin đã đầy đủ và bơm có thể được tính toán. Vào Worksheet để xem kết quả (hình 4.6). Hình 4.6. Worksheet tab của bơm Nhiệt độ của dòng ra là bao nhiêu?___________________________ 8. Lưu vào thư mục xác định  Vào File  Vào Save as  Đặt tên file là Pump và bấm phím OK 45 4.3. Thảo luận Qua ví dụ này nhận thấy rằng khi bơm chất lỏng có thể làm tăng nhiệt độ dòng. Trong trường hợp này, khi công suất của bơm chỉ có 10% đã làm nhiệt độ dòng nước tăng lên 18 oC. Công suất bơm càng thấp, nhiệt độ dòng nước sau bơm càng tăng cao, vì khi đó năng lượng của bơm sử dụng phải lớn hơn để đưa chất lỏng ra ngoài khi mà áp suất của dòng ra yêu cầu không đổi. Như thế phần lớn năng lượng chuyển sang làm tăng nhiệt độ dòng chất lỏng. 4.4. Tóm tắt và ôn tập chƣơng 4  Tìm được nhiệt độ đầu ra của bơm khi cho công suất của bơm  Kết nối các dòng với bơm  Xác định nhiệt độ đầu ra khi biết công suất của bơm và ngược lại 4.5. Bài tập nâng cao Khi nhiệt độ đầu ra của bơm là 200ºC thì công suất của bơm là bao nhiêu? 46 Chƣơng 5 MÁY NÉN Nội dung Trong chương này sẽ giải quyết vấn đề tìm nhiệt độ đầu ra của máy nén khi biết công suất của máy nén. Người sử dụng biết cách thao tác với Compressor trong HYSYS để mô phỏng quá trình nén. Máy nén được sử dụng để tăng áp suất cho một dòng khí, tùy thuộc vào thông tin được cung cấp, Compressor sẽ tính toán các tính chất của dòng (nhiệt độ hoặc áp suất) hay công suất của máy nén. Mục tiêu Sau khi học xong người sử dụng có thể:  Xác định một cấu tử mới bằng cách sử dụng các giả thuyết (hypotheticals)  Thao tác với Compressor trong HYSYS để mô phỏng quá trình nén khí  Xác định công suất của Compressor và nhiệt độ đầu ra của dòng Yêu cầu Trước khi học chương này người sử dụng cần phải biết:  Cách khởi động HYSYS  Lựa chọn các cấu tử  Xác định và chọn Hệ nhiệt động (fluid package)  Nhập và xác định dòng nguyên liệu (material stream) 47 5.1. Bài toán Máy nén dùng để vận chuyển khí và làm tăng áp suất của dòng khí. Có một hỗn khí tự nhiên (g m C 1, C2, C3, n-C4, i-C4, i-C5, n-C5, n-C6, C7+ ) ở áp suất 1 bar và nhiệt độ 100ºC được đưa vào máy nén làm việc với công suất 30%. Lưu lượng dòng khí là 100 kmol/h. Áp suất ra khỏi máy nén là 5 bar. Sử dụng phương trình PR. Xác định nhiệt độ của dòng khí ra khỏi máy nén. 5.2. Tiến hành mô phỏng máy nén 1. Khởi động chương trình HYSYS 2. Mở New Case 3. Xây dựng cơ sở mô phỏng Trong giao diện Simulation Basis Manager (xem trong chương 2 đã trình bày chi tiết), nhập các thông tin như trong bảng sau: Trong trang… Chọn… Property Package Peng-Robinson (PR) Components C1, C2, C3, n-C4, i-C4, i-C5, n-C5, n-C6, C7+ Cấu tử C7+ không t n tại trong danh sách các cấu tử vì thế phải tạo một cấu tử mới và sử dụng Hypothetical Hình 5.1. Giao diện chọn các cấu tử 4. Tạo cấu tử mới  Bấm vào menu Hypothetical, sau đó bấm phím Add Component để thêm cấu tử mới vào danh sách (hình 5.1). 48  Bấm vào phím Quick Create Hypo Component để tạo một cấu tử giả mới. Cấu tử giả có thể sử dụng để mô hình các cấu tử không có trong danh sách, một hỗn hợp đã biết hoặc chưa biết, hoặc một chất rắn. Trong trường hợp này có thể sử dụng cấu tử giả để xác định hỗn hợp khí bao g m các cấu tử nặng hơn hexan.  Trong giao diện vừa xuất hiện (hình 5.2), bấm vào ID tab và đặt tên cho cấu tử vừa tạo ra là C7+. Hình 5.2. Giao diện tạo C7+ Hình 5.3. Giao diện tạo C7+ Khi không biết cấu trúc của cấu tử giả định và đang xây dựng mô hình hỗn hợp, sẽ không sử dụng phím Structure Builder.  Chuyển sang Critical tab (hình 5.3). Chỉ cần cung cấp thông tin cho cấu tử C7+ trong ô Normal Boiling Pt là 110ºC (230oF).  Bấm vào phím Estimate Unknown Props để ước tính tất cả các tính chất còn lại và cấu tử giả định đã hoàn toàn được xác định. Tối thiểu cần cung cấp để xác định cấu tử giả định là Normal Boiling Pt hoặc Molecular Weight và Ideal Liq Density 49  Khi cấu tử giả đã được xác định, đóng cửa sổ giao diện tạo C 7+ để quay trở về giao diện Fluid Package.  Nhập thêm cấu tử giả vào danh sách Select Component bằng cách chọn C7+ trong danh sách Available Hypo Component, sau đó bấm vào phím Add Hypo (hình 5.4). Hình 5.4. Giao diện nhập thêm cấu tử giả định C7+ Mỗi cấu tử giả định là một phần của Hypo Groups. Cấu tử mới tạo thành được mặc định đưa vào HypoGroup1. Có thể nhập thêm các Groups mới và di chuyển các cấu tử giữa các nhóm. Điều này được thực hiện trong Hypotheticals tab của Simulation Basis Manager. So sánh các tính chất của C 7+ với C7 và C8 C7 + C7 C8 Normal Boiling Point Ideal Liquid Density Molecular Weight Nên nhập thêm các cấu tử C7 và C8 vào danh sách để so sánh tính chất của nó với cấu tử giả định. Sau khi so sánh phải xóa C7 & C8 để bắt đầu mô phỏng. 50  Khi đã hoàn thành, bấm vào phím Enter Simulation Environment, bây giờ đã sẵn sàng để bắt đầu mô phỏng. 5. Khởi tạo dòng (Installing a Stream) Có một vài cách để khởi tạo dòng:  Bấm phím F11. Hiển thị giao diện thuộc tính của dòng.  Hoặc nhắp đúp vào biểu tượng Stream trong Object Palette Khởi tạo dòng vật liệu với các thông tin cho trong bảng sau: Trong ô này… Nhập thông tin … Name Natural Gas Temperature 100oC Pressure 1 bar Molar Flow 100 kgmole/h Component Mole Fraction C1 0.330 C2 0.143 C3 0.101 i-C4 0.098 n-C4 0.080 i-C5 0.069 n-C5 0.059 n-C6 0.078 C7 + 0.042 6. Thiết lập máy nén  Có một vài cách để khởi tạo thiết bị mô phỏng (xem chi tiết chương 4): Bấm phím nóng F12. Chọn thiết bị cần sử dụng trong nhóm thiết bị Available Unit operations group. Hoặc nhắp đúp vào biểu tượng thiết bị trong Object Palette.  Trong Connection page của Design tab trên giao diện thuộc tính của máy nén (Compressor) nhập các thông tin cho trong bảng sau: 51 Trong ô này… Name Feed Outlet Energy Nhập thông tin … Compressor Natural Gas Comp Out Work Giao diện nhận được như trong hình 5.5.  Chuyển sang Parameters page. Đổi Adiabatic Efficiency là 30% (hình 5.6)  Chuyển sang Worksheet tab. Trên Conditions page, điền thông tin như trong hình 5.7. Nhập giá trị Pressure của dòng Comp Out bằng 5 bar. Các page Các tab Hình 5.5. Giao diện Compressor – Design tab – Connections page Hình 5.6. Giao diện Compressor – Design tab – Parameters page 52 Hình 5.7. Giao diện Compressor – Worksheet tab – Conditions page Nhiệt độ dòng khí ra khỏi Compressor là bao nhiêu ?________________ 7. Lưu vào thư mục xác định  Vào File  Vào Save as  Đặt tên file là Compressor và bấm phím OK 5.3. Thảo luận Qua ví dụ này nhận thấy rằng Compressor có thể làm tăng nhiệt độ của dòng khí. Trong trường hợp này Compressor chỉ hoạt động ở 30% công suất định mức, làm tăng nhiệt độ dòng khí lên 165,3oC. Công suất của Compressor càng nhỏ, thì sẽ làm nhiệt độ của dòng khí nén tăng lên càng lớn. 5.4. Tóm tắt và ôn tập chƣơng 5  Tìm được nhiệt độ dòng ra khi biết công suất của Compressor. Máy nén chủ yếu dùng để vận chuyển khí. Trong chương này đã sử dụng Compressor để mô phỏng quá trình nén. Biết cách khai báo các tham số của một Compressor.  Tìm được nhiệt độ dòng ra khi biết công suất của Compressor. 5.5. Bài tập nâng cao Nếu nhiệt độ dòng ra là 400°C thì công suất của máy nén là bao nhiêu? ___ 53 Chƣơng 6 TUỐCBIN GIÃN NỞ KHÍ (EXPANDER) Nội dung Giải quyết bài toán tìm nhiệt độ đầu ra của expander khi biết công suất. Thực hành với expander trong HYSYS để mô phỏng quá trình giãn khí. Xác định nhiệt độ đầu ra khi biết công suất và ngược lại Expander được sử dụng làm giảm áp suất của dòng khí vào có áp suất cao và tạo dòng khí sản phẩm ra có áp suất thấp và tốc độ cao. Quá trình giãn nở là quá trình chuyển đổi nội năng của khí thành động năng và sinh công. Expander sẽ tính toán hoặc là tính chất của dòng hoặc là công suất giãn nở. Tùy vào thông tin được cung cấp, có một vài phương pháp tính toán. Nói chung, tính toán sự phụ thuộc của lưu lượng dòng, sự thay đổi áp suất, năng lượng, và công suất. Expander tính toán rất linh động tùy theo các thông tin được khai báo ban đầu. Cần phải đảm bảo không có quá nhiều thông tin hoặc thông tin mâu thu n. Mục tiêu Sau khi học xong người sử dụng có thể:  Thực hành với expander để mô phỏng quá trình giãn khí trong HYSYS  Xác định công suất giãn khí và nhiệt độ của dòng ra. Yêu cầu Trước khi học chương này người sử dụng cần phải biết: 54  Cách khởi động HYSYS  Lựa chọn cấu tử.  Xác định và chọn hệ nhiệt động (fluid package).  Nhập và xác định dòng nguyên liệu (material stream). 6.1. Bài toán Expander dùng để giảm áp suất của một dòng khí vào cao áp và tạo dòng khí sản phẩm ra có áp suất thấp và vận tốc lớn. Hỗn hợp khí g m metan, etan, và propan ở nhiệt độ 25ºC, áp suất 20 bar, được đưa vào expander với công suất 30% định mức. Lưu lượng dòng khí là 100 kgmol/h, áp suất ra khỏi expander là 5 bar. Sử dụng phương trình Peng-Robinson, xác định nhiệt độ đầu ra của hỗn hợp khí. 6.2. Tiến hành mô phỏng tuốcbin giãn nở khí 1. Xác định fluid package theo các thông tin cho trong bảng. Trong trang… Chọn… Property Package Peng-Robinson (PR) Components C1 , C2 , C3 Bấm vào phím Enter Simulation Environment 2. Thiết lập dòng vật liệu Trong ô … Nhập thông tin … Name Natural Gas Temperature 25oC Pressure 20 bar Molar Flow 100 kgmole/h Component Mole Fraction C1 0.500 C2 0.300 C3 0.200 3. Thiết lập Expander  Nhắp đúp vào Expander trong Object Palette  Trong Connections page nhập các thông tin cho trong bảng dưới Trong ô… Nhập thông tin… Name Expander Feed Natural Gas Outlet Out Energy Work 55 Giao diện thuộc tính của Expander, trong Design tab – Connections page như trong hình 6.1. Hình 6.1. Expander – Design tab – Connections page Chuyển sang Parameters page, thay đổi Adiabatic Efficiency là 30% (như trong hình 6.2). Hình 6.2. Expander – Design tab – Parameters page 56 Chuyển sang Worksheet tab, trong Conditions page nhập giá trị áp suất cho dòng ra là 5 bar. Khi hoàn thành khai báo các thông tin ban đầu, giao diện Worksheet như trong hình 6.3. Hình 6.3. Giao diện Worksheet Nhiệt độ dòng ra khỏi expander là bao nhiêu?________________________ 4. Lưu vào thư mục xác định (Save)  Vào File  Vào Save as  Đặt tên file là Expander và bấm phím OK 6.3. Thảo luận Khi thực hiện giãn nở khí bằng Expander có thể làm giảm nhiệt độ của dòng khí. Trong trường hợp này, công suất của Expander là 30% định mức thì nhiệt độ dòng khí tự nhiên giảm 31oC. Nếu công suất của Expander càng nhỏ thì nhiệt độ dòng khí được giãn nở sẽ giảm càng ít. 6.4. Tóm tắt và ôn tập chƣơng 6 Tìm nhiệt độ dòng ra khi biết công suất của expander Biết cách thao tác với expander trong HYSYS để mô phỏng tính toán quá trình giãn nở khí. 6.5. Bài tập nâng cao Công suất của expander là bao nhiêu khi nhiệt độ đầu ra là – 30oC? 57 Chƣơng 7 THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT Nội dung Trong chương này sẽ giải quyết vấn đề tìm lưu lượng dòng lạnh qua thiết bị trao đổi nhiệt ở điều kiện đã cho. Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống và vỏ trong HYSYS được sử dụng để mô phỏng quá trình. Heat Exchanger thực hiện tính toán cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng. Heat Exchanger là một thiết bị rất linh hoạt, có thể tính toán với nhiệt độ, áp suất, dòng nhiệt (bao g m cả tổn thất và mất mát nhiệt), lưu lượng các dòng vật chất hoặc hệ số trao đổi nhiệt UA. Trong HYSYS, có thể chọn Heat Exchanger Model (mô hình trao đổi nhiệt) để phân tích. Các mô hình bao g m: mô hình End Point Model, mô hình trao đổi nhiệt ngược chiều lý tưởng Ft = 1 Weighted Design Model, phương pháp Steady State Rating và phương pháp Dynamic Rating được sử dụng trong mô phỏng động. Phương pháp Dynamic Rating c ng được coi như phương pháp cơ bản và có thể được sử dụng trong mô phỏng tĩnh để đánh giá quá trình trao đổi nhiệt. Mục tiêu Sau khi học xong có thể:  Sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt trong HYSYS để mô hình hoá quá trình truyền nhiệt Yêu cầu Trước khi học chương này người sử dụng cần phải biết:  Cách khởi động HYSYS.  Lựa chọn cấu tử.  Xác định và chọn hệ nhiệt động (fluid package).  Nhập và xác định dòng nguyên liệu (material stream). 58 7.1. Bài toán Nước nóng ở 250 oC và 1000 psi được sử dụng để gia nhiệt dòng nước lạnh trong thiết bị trao đổi nhiệt Heat Exchanger. Dòng vào có nhiệt độ 25 oC và áp suất là 130 psi. Nhiệt độ dòng lạnh và dòng nóng ra khỏi thiết bị lần lượt là 150 oC và 190oC. Nếu lưu lượng dòng nóng là 100 kg/h, tính lưu lượng dòng lạnh đi qua thiết bị trao đổi nhiệt. 7.2. Tiến hành mô phỏng quá trình trao đổi nhiệt  Sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống và vỏ (shell and tube Heat Exchanger) để mô phỏng quá trình.  Khai báo các tham số dòng vào, dòng ra đã được nêu trong bài toán.  Tính lưu lượng khối lượng dòng lạnh.  Xác định cấu tử và phương trình trạng thái sử dụng trọng fluid package  Thiết lập dòng và thiết bị Heat Exchanger 1. Xác định cơ sở mô phỏng Nhập các cấu tử và phương trình trạng thái như cho trong bảng sau Giao diện Lựa chọn Components page H2 O Property Package page Peng-Robinson Bấm phím Enter Simulation Environment. 2. Thiết lập dòng vật chất Thiết lập hai dòng vật chất với các thông số sau: Trong ô… Nhập thông tin… Name Tube in Shell in Temperature 250oC 25oC Pressure 1000 psi 130 psi Mass Flow 100 kg/h <empty> Compositions H2O 100% H2O 100% 3. Thiết lập Heat Exchanger Heat Exchanger thực hiện tính toán cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng, vì thế có thể tính toán với nhiệt độ, áp suất, dòng nhiệt (bao g m cả tổn thất và mất mát nhiệt), lưu lượng các dòng vật chất và hệ số trao đổi nhiệt UA. 59  Bấm vào biểu tượng Heat Exchanger trong Object Palette  Trong Connections page, nhập các thông tin như trong hình 7.1 Hình 7.1. Heat Exchanger – Design tab – Connections page  Tương tự với Parameters page (điền các thông số như hình 7.2). Độ giảm áp Delta P của Tube and Shell sides (ống và vỏ thiết bị) là 0 kPa. Hình 7.2. Heat Exchanger – Design tab – Parameters page 60  Vào Worksheet tab, trong Conditions page, nhập các thông tin như hình 7.3. Nhiệt độ của Tube out và Shell out lần lượt là 190oC và 150oC. Hình 7.3. Heat Exchanger – Worksheet tab – Conditions page Hãy cho biết lưu lượng khối lượng của dòng lạnh là bao nhiêu? _________ 4. Lưu Case  Vào File menu.  Chọn Save As.  Đặt tên file là Heat Exchanger sau đó bấm phím OK. 7.3. Thảo luận Tại điều kiện đã cho và lưu lượng dòng nóng là 100 kg/h, lưu lượng dòng lạnh qua thiết bị trao đổi nhiệt vào khoảng 55.21 kg/h. 7.4. Tóm tắt và ôn tập chƣơng 7 Trong chương này, yêu cầu sử dụng Heat Exchanger và tìm lưu lượng dòng lạnh đi qua thiết bị trao đổi nhiệt ở điều kiện đã cho. 7.5. Bài tập nâng cao Nếu lưu lượng dòng lạnh là 100 kg/h, xác định lưu lượng dòng nóng. Nhiệt lượng trao đổi giữa hai dòng là bao nhiêu? 61 Chƣơng 8 THÁP TÁCH Nội dung Chương này giải quyết vấn đề tìm lưu lượng của dòng lỏng và dòng hơi qua tháp tách hai pha (Flash Separator). Trong mô phỏng tĩnh, Separator phân chia hỗn hợp hai pha trong tháp thành pha lỏng và pha hơi. Hai pha lỏng và hơi được phân tách trong tháp sau khi đã đạt trạng thái cân bằng Flash Separator thực hiện tính toán xác định các tham số sản phẩm và thành phần pha. Áp suất của quá trình tách là áp suất thấp nhất của nguyên liệu trừ đi độ giảm áp qua tháp tách. Entanpy bao g m entanpy của dòng nguyên liệu và dòng năng lượng (giá trị mang dấu cộng nếu được đun nóng, mang dấu trừ nếu được làm lạnh). Separator có khả năng tính toán kết quả ngược lại. Ngoài việc áp dụng tính toán theo tiêu chuẩn (dòng nguyên liệu vào tháp đã khai báo thông tin đầy đủ, được tách tại áp suất và entanpy của tháp tách), Separator còn có thể sử dụng thành phần đã biết của một dòng sản phẩm để tính toán thành phần của dòng sản phẩm còn lại và dựa trên cân bằng vật chất của dòng nguyên liệu vào. Mục tiêu Sau khi học xong có thể:  Sử dụng thiết bị Flash Separator trong HYSYS để mô hình hoá quá trình tách pha Yêu cầu Trước khi học chương này người sử dụng cần phải biết:  Cách khởi động HYSYS.  Lựa chọn cấu tử.  Xác định và chọn hệ nhiệt động (fluid package).  Nhập và xác định dòng nguyên liệu (material stream). 62 8.1. Bài toán Dòng vật chất bao g m 15% etan, 20% propan, 60% i-butan, 5% n-butan ở 50 F và áp suất khí quyển, lưu lượng 100 lbmol/h. Nén dòng đến 50 psi sau đó làm lạnh đến 32 oF. Sản phẩm là dòng hơi và dòng lỏng được tách ra. Tính lưu lượng và thành phần của hai dòng sản phẩm này. o 8.2. Thực hiện mô phỏng quá trình tách pha 1. Xây dựng cơ sở mô phỏng  Nhập các cấu tử và phương trình trạng thái: Trong giao diện … Lựa chọn… Property Package page Peng-Robinson Components page Ethane, propane, i-butane, n-butane  Bấm phím Enter Simulation Environment khi đã sẵn sàng thực hiện mô phỏng 2. Thiết lập dòng vật chất Thiết lập dòng vật chất với các giá trị sau: Trong ô… Nhập thông tin… Name Gas Temperature 50oF Pressure 1 atm Molar Flow 100 lbmole/h Compositions Ethane-15% Propane-20% i-butane-60% n-butane-5% 3. Thiết lập Compressor  Bấm vào biểu tượng Compressor trong Object Palette.  Trong Connections page, nhập các thông tin như trong hình 8.1. 63 Hình 8.1. Compressor – Design tab - Connections page  Trong Worksheet tab, Conditions page, nhập các thông tin như hình 8.2. Áp suất của dòng Comp Gas là 50 psi (344.7 kPa). Hình 8.2. Compressor - Worksheet tab - Conditions page 4. Thiết lập Cooler  Bấm vào biểu tượng Cooler trong Object Palette. 64  Trong Connections page, nhập các thông tin như trong hình 8.3. Hình 8.3. Cooler - Design tab – Connections page  Chuyển sang Parameters page. Độ giảm áp là 0 psi như trong hình 8.4. Hình 8.4. Cooler - Design tab – Parameters page  Chuyển sang Worksheet tab, Conditions page, nhập thông số như hình 8.5. Nhiệt độ dòng Cool Gas là 32oF (0oC). 65 Hình 8.5. Cooler - Worksheet tab – Conditions page 5. Thiết lập Flash Separator  Bấm vào biểu tượng Separator trong Object Palette.  Trong Connections page, nhập các thông số như trong hình 8.6. Hình 8.6. Separator – Design tab – Connections page 66  Chuyển sang Worksheet tab để xem kết quả (hình 8.7 và 8.8): Hình 8.7. Separator – Worksheet tab – Conditions page Hình 8.8. Separator – Worksheet tab – Composition page Điền kết quả nhận được vào bảng sau: 67 Stream: Flowrate: Composition: Top _________________ Ethane: ___________ Propane: __________ i-Butane: __________ n-Butane: __________ Bottom _______________ _______________ _______________ _______________ ______________ 6. Lưu Case  Vào File menu.  Chọn Save As  Đặt tên file là Flash sau đó bấm OK Khi hoàn thành mô phỏng quá trình tách hai pha nhận được sơ đ PFD như trong hình 8.9. Gas Hình 8.9. Sơ đồ mô phỏng PFD 8.3. Tóm tắt và ôn tập chƣơng 8 Trong chương này, đã thực hiện tính toán lưu lượng của dòng lỏng và dòng hơi ra khỏi tháp tách khi biết lưu lượng dòng hai pha vào tháp. Dòng hơi và dòng lỏng trong tháp tách đạt trạng thái cân bằng trước khi được tách ra. Separator trong HYSYS được sử dụng để mô phỏng quá trình tách hai pha lỏng và hơi. 8.4. Bài tập nâng cao Nếu nhiệt độ dòng Cool Gas là 10oF, thì lưu lượng và thành phần của hai dòng là bao nhiêu? 68 Chƣơng 9 PHẢN ỨNG CHUYỂN HOÁ Nội dung Chương này giải quyết vấn đề phát triển mô hình sản xuất khí hydro từ metan bằng phản ứng oxi hoá. Phương pháp oxi hoá không hoàn toàn dựa trên phản ứng của metan với không khí để sản xuất oxit cacbon và khí hydro. Trong chương này sẽ hướng d n cách thêm các phản ứng chuyển hoá (conversion) và cài đặt nhóm các phản ứng vào thiết bị phản ứng trong HYSYS. Loại phản ứng chuyển hoá không yêu cầu các kiến thức về nhiệt động học. Việc phải làm là nhập hệ số tỷ lượng phản ứng và độ chuyển hoá của chất phản ứng cơ bản (trong trường hợp này là metan). Độ chuyển hoá luôn luôn dưới 100%. Phản ứng tiến hành cho đến khi đạt giới hạn hoặc hết chất phản ứng. Việc nhóm các phản ứng khác loại với nhau là không thể thực hiện, tuy nhiên, có thể nhóm các phản ứng Conversion lại thành một nhóm và phân loại các phản ứng (phản ứng nối tiếp hay song song). Phản ứng có bậc thấp nhất sẽ xảy ra đầu tiên (có thể bắt đầu hoặc là 0 hoặc 1). C ng như các phản ứng đơn lẻ, tổng độ chuyển hoá cấu tử cơ bản trong nhóm các phản ứng không được quá 100%. Các phản ứng Conversion không được sử dụng trong các thiết bị phản ứng đẩy lý tưởng (PFR) hoặc khuấy lý tưởng (CSTR). Nói chung, các phản ứng Conversion chỉ được thực hiện trong thiết bị phản ứng Conversion Reactor. Mục tiêu Sau khi học xong có thể:  Mô phỏng thiết bị và phản ứng chuyển hoá trong HYSYS.  Thiết lập các phản ứng và nhóm phản ứng (Reaction Set).  Gắn Reaction Set đã cài đặt với hệ nhiệt động Fluid Package. Yêu cầu Trước khi học chương này người sử dụng cần phải biết:  Điều chỉnh PFD  Thêm các dòng trong PFD hoặc Workbook  Khởi tạo và nối các dòng và thiết bị trong PFD 69 9.1. Bài toán Công nghệ sản xuất khí hydro từ hydrocacbon đã có những bước phát triển đáng kể trong thập kỷ qua. Hiệu quả của công nghệ sản xuất hydro có liên quan trực tiếp đến các thiết bị chuyển hoá năng lượng như pin nhiên liệu (fuel cell). Sự chuyển hoá nhiên liệu thành hydro được thực hiện bằng quá trình oxi hoá không hoàn toàn. Phương pháp này dựa vào phản ứng của nhiên liệu ví dụ như metan với không khí để tạo ra oxit cacbon và hydro. CH4 + 1/2 O2  CH4 + O2  CO + 2H2 CO2 + 2H2 Phát triển mô hình đại diện cho quá trình oxi hoá không hoàn toàn metan để sản xuất hydro. 9.2. Xác định cơ sở mô phỏng Bước đầu tiên để mô phỏng quá trình sản xuất hydro là chọn phương trình trạng thái thích hợp. Nhập các thông tin như sau: Trong ô … Property Package page Components page Lựa chọn … Peng-Robinson CH4, O2, N2, CO, CO2, H2 Bấm phím Enter Simulation Environment khi đã sẵn sàng thực hiện mô phỏng. 1. Thiết lập các phản ứng Các phản ứng trong HYSYS được khởi tạo theo cách tương tự như thêm các cấu tử khi bắt đầu xây dựng cơ sở mô phỏng. Bấm vào Reaction tab trong Simulation Basis Manager. Lưu ý rằng tất cả các cấu tử được hiển thị trong danh sách Rxn Components. Hình 9.1. Giao diện Reaction tab 70 Bấm phím Add Rxn, chọn phản ứng Conversion từ danh sách. Nhập các thông tin sau: Hình 9.2. Giao diện Conversion Reaction Rxn-1 – Stoichiometry tab Chuyển sang Basis tab và nhập các thông tin như sau: Hình 9.3. Giao diện Conversion Reaction Rxn-1 – Basis tab Với phản ứng thứ 2, tương tự nhập các thông tin sau: 71 Hình 9.4. Giao diện Conversion Reaction Rxn-2 – Stoichiometry tab Tương tự ở Basis tab, nhập các thông tin sau: Hình 9.5. Giao diện Conversion Reaction Rxn-2 – Basis tab 2. Thiết lập nhóm các phản ứng Khi hai phản ứng này đã được khai báo đầy đủ các thông tin, cần phải thiết lập Reaction Set cho thiết bị phản ứng chuyển hoá Conversion Reactor. V n đang ở Reaction tab (như hình 9.1), bấm phím Add Set. Đặt tên cụm phản ứng là Oxidation Rxn Set, và nhập hai phản ứng Rxn-1, Rxn-2 vào. Các phản ứng được nhập bằng cách chọn các phản ứng cần thiết từ danh sách thả xuống trong Active List. Giao diện sẽ hiển thị như trong hình dưới đây khi hoàn thành. 72 Hình 9.6. Giao diện tạo Oxidation Rxn Set 3. Thiết lập các phản ứng nối tiếp Các phản ứng chuyển hoá có thể được nhóm lại và phân loại phản ứng (nối tiếp hoặc song song). Phản ứng nào được xếp hạng thấp nhất sẽ xảy ra đầu tiên (có thể bắt đầu hoặc là 0 hoặc 1). Để thiết lập cho các phản ứng xảy ra nối tiếp, trong Oxidation Rxn Set (hình 9.6), bấm vào phím Ranking… và nhập các thông tin như trong hình 9.7 dưới đây. Hình 9.7. Thiết lập cho các phản ứng nối tiếp 4. Liên kết nhóm phản ứng vào Fluid Package Sau khi thiết lập nhóm phản ứng (Reaction Set), cần phải nhập vào hệ nhiệt động đã lựa chọn trong HYSYS để sử dụng.  Chọn Reaction Set và bấm phím Add to FP.  Chọn Fluid Package và bấm phím Add Set to Fluid Package. 73  Nếu cần, có thể save Fluid Package k m theo các phản ứng đã gắn vào. Như vậy có thể mở lại FP này ở bất kỳ bài toán mô phỏng nào khác trong HYSYS khi FP này phù hợp. Khi các phản ứng cài đặt đã được gắn vào Fluid Package, có thể vào môi trường mô phỏng và bắt đầu xây dựng PFD. 5. Thiết lập các dòng vật chất Thiết lập dòng vật chất thứ nhất với các thông tin cho trong bảng sau. Trong ô.. Nhập thông tin … Name Methane Temperature 25oC Pressure 2 bar Molar Flow 100 kgmole/h Component Mole Fraction C1 1.000 Tương tự với dòng thứ hai. Trong ô … Nhập thông tin … Name Air Temperature 25oC Pressure 2 bar Molar Flow 260 kgmole/h Component Mole Fraction N2 0.79 O2 0.21 6. Thiết lập thiết bị phản ứng chuyển hoá  Từ Object Palette, bấm vào biểu tượng General Reactor, chọn Conversion Reactor và đưa vào PFD.  Đặt tên thiết bị là Oxidation Reactor và nối với hai dòng nguyên liệu đã thiết lập ở trên là Methane và Air. Đặt tên dòng sản phẩm hơi là Ox_Vap, mặc dù trong trường hợp này không có sản phẩm lỏng nhưng v n phải đặt tên là Ox_Liq. 74 Hình 9.8. Oxidation Reactor – Design tab – Connections page  Trong Details page của Reaction tab, chọn nhóm phản ứng Oxidation Rxn Set đã cài đặt, các phản ứng sẽ tự động được kết nối với thiết bị phản ứng. Hình 9.9. Oxidation Reactor – Reactions tab – Details page  Chuyển sang Composition page của Worksheet tab, phân tích thành phần của dòng sản phẩm Ox_Vap, điền kết quả vào bảng dưới đây. 75 Lưu lượng mol của các cấu tử bằng bao nhiêu? Methane: _____________ Nitrogen: ________________ Oxygen: ______________ CO2: _________________ CO: _____________________ Hydrogen: ________________ 7. Lưu Case  Vào File menu.  Chọn Save As.  Đặt tên file là Conversion sau đó bấm phím OK. Hình 9.10. Hoàn thành PFD 9.3. Tóm tắt và ôn tập chƣơng 9 Trong chương này đã giới thiệu mô hình sản xuất hydro từ metan bằng phương pháp oxi hoá không hoàn toàn. Phương pháp này dựa trên những phản ứng của metan với không khí để tạo ra cacbon oxit và hydro. Qua đó học được cách thao tác thiết lập các phản ứng chuyển hoá (Conversion) và nhóm các phản ứng (Reactions Set) trong HYSYS. 76 Chƣơng 10 PHẢN ỨNG CÂN BẰNG Nội dung Trong chương này sẽ giải quyết vấn đề phát triển mô hình đại diện cho phản ứng chuyển hoá khí (Water Gas Shift – WGS). Vai trò của phản ứng WGS là tăng hiệu suất H2 và giảm n ng độ CO đáp ứng yêu cầu của pin nhiên liệu, không gây ngộ độc anot và giảm hiệu suất sử dụng của pin. Trong chương này sẽ hướng d n cách thiết lập các phản ứng cân bằng (Equilibrium) và nhóm phản ứng (Reaction Set) trong HYSYS. Equilibrium Reactor là thiết bị mô phỏng trong đó thực hiện các phản ứng cân bằng (equilibrium reaction). Dòng ra khỏi thiết bị đạt trạng thái cân bằng hoá học và vật lý. Reaction Set được gắn cho Equilibrium Reactor bao g m không giới hạn các phản ứng cân bằng, được diễn ra song song hoặc nối tiếp. Không có các cấu tử và quá trình lý tưởng, HYSYS có thể tính toán hoạt tính hoá học của mỗi cấu tử trong hỗn hợp phản ứng dựa trên fugat của các cấu tử đơn chất và hỗn hợp. Có thể kiểm tra độ chuyển hoá thực tế, thành phần cấu tử cơ bản, hằng số cân bằng và bậc phản ứng đối với từng phản ứng được cài đặt trong Reaction Set. Độ chuyển hoá, hằng số cân bằng và các thông số tính toán khác, tất cả được tính toán dựa trên những thông tin được cung cấp khi thiết lập Reaction Set. Mục tiêu Sau khi học xong có thể:  Mô phỏng thiết bị và phản ứng cân bằng trong HYSYS  Nhập thêm phản ứng hoặc nhóm phản ứng.  Liên kết phản ứng với hệ nhiệt động FP.  In các thông tin của dòng và dữ liệu Workbook. Yêu cầu Trước khi học chương này người sử dụng cần phải biết:  Thực hiện điều chỉnh PFD  Thêm các dòng trong PFD hoặc Workbook  Khởi tạo và nối các dòng vào thiết bị trong PFD 77 10.1. Bài toán Một ứng dụng mới của hydro để sản xuất pin nhiên liệu cho động cơ (PEM fuel cell). Pin nhiên liệu đòi hỏi n ng độ CO thấp hơn 10  20 ppm, để tránh gây ngộ độc anot và làm giảm đột ngột hiệu suất nhiên liệu. Các pin nhiên liệu (fuel cell) biến đổi năng lượng hoá học của nhiên liệu hydro trực tiếp thành năng lượng điện. Không giống như pin hoặc ắc quy, pin nhiên liệu không bị mất điện và c ng không có khả năng tích điện. Pin nhiên liệu hoạt động liên tục khi nhiên liệu là hydro và chất oxi hoá là oxy được đưa từ ngoài vào. Do đó, nếu hydro được sản xuất từ quá trình reforming hydrocacbon hoặc rượu, việc tinh chế làm giảm n ng độ CO là vô cùng cần thiết. Công nghệ phổ biến nhất hiện nay là chuyển hoá khí bằng hơi nước (WGS) theo phản ứng sau: CO + H2O CO2 + H2 Phản ứng này đã được sử dụng trong công nghiệp từ 40 năm trước để sản xuất hydro từ các hydrocacbon lỏng và khí. Vai trò của phản ứng WGS là tăng hiệu suất hydro và làm giảm n ng độ CO tránh gây ngộ độc xúc tác. Xây dựng mô hình phản ứng WGS. 10.2. Thực hiện mô phỏng quá trình phản ứng cân bằng Chương này sẽ sử dụng case của chương trước (chương 9 Phản ứng chuyển hoá), có bổ sung thêm cấu tử, H2O.  Mở case đã lưu của chương 9: Conversion Hình 10.1. Mở case Conversion 78  Bấm vào biểu tượng Enter Basis Environment trên thanh công cụ để vào giao diện Simulation Basis Manager.  Trong Components tab, vào giao diện Component List-1 để thêm cấu tử.  Thêm cấu tử H2O vào danh sách, như mô tả trong hình 10.2. Hình 10.2. Bổ sung cấu tử H2O 1. Thiết lập các phản ứng Các phản ứng trong HYSYS được nhập vào theo cách tương tự như nhập cấu tử để thực hiện mô phỏng.  Bấm vào Reaction tab trong Simulation Basis Manager. Lưu ý rằng tất cả các cấu tử được hiển thị trong danh sách Rxn Components. Hình 10.3. Thiết lập phản ứng  Bấm vào phím Add Rxn, chọn phản ứng Equilibrium từ danh sách hiển thị. Nhập các thông tin cần thiết như sau: 79 Hình 10.4. Nhập hệ số tỷ lượng cho phản ứng 2. Nhập Reaction Sets Khi phản ứng này đã được khai báo đầy đủ các thông tin, có thể cài đặt cho thiết bị phản ứng cân bằng Equilibrium Reactor.  Trong Reaction tab, bấm vào phím Add Set. Đặt tên nhóm phản ứng này (Reaction Set) là WGS Rxn Set, và nhập phản ứng Rxn-3 vào. Các phản ứng được nhập vào bằng cách lựa chọn các phản ứng trong danh sách của nhóm Active List. Kết thúc sẽ có giao diện như mô tả trong hình dưới đây: Hình 10.5. Thiết lập Reaction Set 80 3. Liên kết Reaction Set vào Fluid Package Sau khi thiết lập nhóm phản ứng (Reaction Set), cần phải đưa vào Fluid Package để HYSYS có thể sử dụng trong tính toán.  Chọn Reaction Set và bấm phím Add to FP.  Chọn Fluid Package và bấm phím Add Set to Fluid Package. Khi các phản ứng được cài đặt đã được liên kết vào Fluid Package, bấm phím Return to the Simulation Environment để quay trở lại môi trường mô phỏng và bắt đầu xây dựng mô phỏng PFD. Lưu ý rằng phím Solver đã được bật (biểu tượng đ n xanh trên thanh công cụ). 4. Thiết lập dòng nguyên liệu Thiết lập dòng vật chất với các thông tin sau: Trong ô... Nhập thông tin… Name Steam Temperature 100oC Pressure 2 bar Molar Flow 100 kgmole/h Component Mole Fraction H2 O 1.000 5. Thiết lập Equilibrium Reactor  Từ Object Palette, bấm vào vào biểu tượng General Reactor, trong số bốn loại thiết bị phản ứng xuất hiện: Gibbs, Equilibrium, Conversion và Yield, chọn Equilibrium Reactor và đưa vào PFD.  Đặt tên thiết bị là WGS Reactor và nối với hai dòng nguyên liệu là Ox_Vap và Steam. Đặt tên dòng sản phẩm hơi là WGS_Vap, và mặc dù trong trường hợp này không có sản phẩm lỏng nhưng việc đặt tên là bắt buộc, WGS_Liq. 81 Hình 10.6. Kết nối các dòng vào thiết bị phản ứng  Trong Details page của Reactions tab, chọn WGS Rxn Set đã cài đặt, các phản ứng sẽ tự động được kết nối với thiết bị phản ứng. Hình 10.7. Reaction tab - Details page  Trong Composition page của Worksheet tab, phân tích thành phần của dòng khí sản phẩm WGS_Vap. 82 Lưu lượng mol của các cấu tử sau bằng bao nhiêu? Methane: ____________ Nitrogen: ____________ Oxygen: _____________ CO: ________________ CO2: ________________ Hydrogen: ___________ Tính toán phần trăm của các cấu tử (so sánh với kết quả trong chương 9) CO giảm: __________________________ Hydrogen tăng: ____________________ 6. In số liệu tính toán các dòng và thiết bị Trong HYSYS có thể in bảng số liệu của các dòng, thiết bị và Workbook  Mở Workbook bằng cách bấm vào biểu tượng trên thanh công cụ. Hoặc bấm vào phím Tools từ menu chính r i chọn Workbook (hoặc sử dụng phím nóng Ctrl+W ). Giao diện Workbook sẽ hiển thị như hình 10.8. Hình 10.8. Giao diện Workbook  Trong giao diện chưa hiển thị thành phần phần mol của các cấu tử. Để bổ sung thêm biến vào Workbook trình tự thực hiện như sau. Giao diện Workbook đang mở, trên thanh menu chính của giao diện Workbook chọn Workbook, trong danh sách thả xuống chọn Setup, sẽ xuất hiện cửa sổ như trên hình 10.9. 83 Hình 10.9. Bổ sung thêm biến vào Workbook Trong Variables group, bấm phím Add… sẽ hiển thị giao diện như hình 10.10.  Trong danh sách các biến Variable, chọn Master Comp Molar Flow và trong danh sách Variable Specifics, chọn Methane. Sau đó bấm phím OK. Hình 10.10. Chọn biến để nhập thêm vào Workbook 84  Lặp lại như trên với tất cả các cấu tử còn lại. Khi kết thúc kiểm tra lại giao diện Workbook như hình 10.11. Hình 10.11. Giao diện Workbook đã nhập thêm lưu lượng phần mol các cấu tử  Nhắp chuột phải vào đối tượng kiểm tra trên thanh công cụ Workbook. Print Datasheet sẽ xuất hiện như trong hình 10.12. 85 Hình 10.12. Hiển thị Print Datasheet  Chọn Print Datasheet. Giao diện Select Datablock sẽ xuất hiện (hình 10.13). Hình 10.13. Giao diện Select Datablock  Từ danh sách, có thể chọn in (Print) hoặc xem lại (Preview) bất kỳ bảng dữ liệu nào.  Có thể sửa đổi định dạng trang in, lựa chọn máy in, hoặc cách thức hiển thị của bảng số liệu trong trang in, bằng cách sử dụng các phím Format/Layout… hoặc phím Print Setup… 7. Lưu Case  Vào File menu.  Chọn Save As.  Đặt tên file là Equilibrium sau đó bấm phím OK. 86 Khi hoàn thành mô phỏng, giao diện PFD như trong hình 10.14. Hình 10.14. Giao diện PFD 10.3. Tóm tắt và ôn tập chƣơng 10 Ở đầu chương, bắt đầu với vấn đề phát triển mô hình chuyển hoá khí bằng hơi nước. Vai trò của phản ứng WGS là tăng hiệu suất hydro và giảm n ng độ CO đáp ứng yêu cầu sử dụng trong pin nhiên liệu, tránh ngộ độc anot và giảm hiệu suất của pin nhiên liệu. Qua đó, hiểu thêm về các phản ứng cân bằng (Equilibrium Reaction) và thiết lập phản ứng cân bằng, nhóm phản ứng và thiết bị phản ứng cân bằng trong HYSYS. 87 Chƣơng 11 THIẾT BỊ PHẢN ỨNG KHUẤY LIÊN TỤC (CSTR) Nội dung Trong chương này, sẽ trình bày về quy trình sản xuất propylen glycol. Oxit propylen phản ứng với nước trong thiết bị phản ứng là thùng khuấy liên tục (CSTR). Dòng nguyên liệu là oxit propylen và nước được trộn ở Mixer, dòng hỗn hợp ra là nguyên liệu cho phản ứng, với điều kiện áp suất khí quyển propylen glycol được tạo thành. Mục tiêu Sau khi học xong có thể:  Mô phỏng thiết bị phản ứng thùng có khuấy liên tục và các phản ứng trong HYSYS  Thiết lập được một Session Preference mới. 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 88 11.1. Thiết lập một Session Preference mới Khởi động HYSYS và tạo một case mới. Việc đầu tiên là thiết lập Session Preference.  Từ Tools trên thanh menu chính chọn Preference. Giao diện thuộc tính của Session Preference sẽ xuất hiện như hình 11.1. Hình 11.1. Giao diện thuộc tính của Session Preference  Trên Simulation tab, chọn Options page. Phải chắc chắn là không kích hoạt Use Modal Property Views.  Chuyển sang Variables tab, chọn Units page, xuất hiện cửa sổ như hình 11.2. 11.2. Khởi tạo Hệ đơn vị đo mới Công việc đầu tiên cần thực hiện khi xây dựng mô phỏng là phải chọn hệ đơn vi đo (Unit Set). HYSYS không cho phép thay đổi ba hệ đơn vị đo mặc định được liệt kê trong danh sách unit sets, tuy nhiên có thể tạo một unit set mới. Trong chương này, sẽ tạo một unit set mới dựa trên hệ đơn vị Anh của HYSYS (Field set), sau đó hiệu chỉnh theo yêu cầu. 89 Trong danh sách Available Units Set, chọn Field (hình 11.2). Tham số Liq.Vol.Flow có đơn vị mặc định là barrel/day; sẽ thay đổi đơn vị của Liq.Vol.Flow thành đơn vị USGPM. Hình 11.2. Session Preference - Variables tab - Units page Preference file có tên mặc định là HYSYS.prf. Khi thay đổi các thông số của Preferences, có thể lưu lại những thay đổi này trong file mới, bằng cách bấm vào phím Save Preference Set… ở bên trái phía dưới giao diện thuộc tính của Session Preferences. HYSYS sẽ nhắc nhở khai báo tên cho Preference file mới, để khi cần đến có thể mở lại file này cho case mô phỏng mới nào đó, bằng cách bấm vào phím Load Preference Set… ở bên phải phía dưới giao diện thuộc tính của Session Preferences  Bấm vào phím Clone. Sẽ suất hiện một hệ đơn vị đo mới có tên là NewUser trong danh sách Available Unit Sets.  Trong Unit Set Name, thay đổi tên thành Field-USGPM. Có thể thay đổi các đơn vị đo cho các biến khác trong hệ đơn vị của file mới này.  Tìm ô Liq.Vol.Flow. Bấm vào barrel/day ở ô bên cạnh (hình 11.3).  Để mở danh sách các đơn vị đo có thể, bấm vào m i tên đi xuống, hoặc bấm phím nóng F2 sau đó bấm vào phím m i tên đi xuống để di chuyển.  Từ danh sách chọn USGPM. 90 Hình 11.3. Tạo hệ đơn vị mới Field-USGPM  Hệ đơn vị mới đã được xác định. Đóng cửa sổ giao diện thuộc tính của Session Preferences. 11.3. Thực hiện mô phỏng 1. Thiết lập cơ sở mô phỏng. Nhập các thông tin sau: Trong page… Lựa chọn… Property Package UNIQUAC Components Propylene Oxide, Propylene Glycol, H 2O 2. Cung cấp hệ số tương tác bậc hai Công việc tiếp theo sẽ thực hiện trong Fluid Package là cung cấp các hệ số tương tác bậc hai.  Bấm vào Binary Coeffs tab trong cửa sổ thuộc tính Fluid Package như trong hình 11.4. Trong nhóm Activity Model Interaction Parameters, có bảng các hệ số tương tác bậc hai mặc định Aij. HYSYS sẽ tự động đưa ra các hệ số tương tác cho các cặp hai cấu tử trong thành phần hỗn hợp từ thư viện. Có thể thay đổi các hệ số mà HYSYS cung cấp nếu người sử dụng có số liệu. 91 Trong trường hợp này, chưa biết hệ số tương tác của một cặp bậc hai là 12C3Oxide/12-C3diol. Trong trường hợp này, sẽ tự nhập số liệu nếu người sử dụng có số liệu, nếu không sẽ sử dụng theo phương pháp ước tính của HYSYS. Hình 11.4. Cửa sổ hiển thị hệ số tương tác bậc hai Aij và Bij  Sử dụng phương pháp UNIFAC VLE để ước tính hệ số chưa biết.  Bấm vào phím Unknowns Only. HYSYS cung cấp giá trị các hệ số tương tác bậc hai chưa biết.  Khi hoàn thành bảng Activity Model Interaction Parameters với các giá trị hệ số Aij của các cặp đôi tương ứng sẽ hiển thị như hình 11.5 dưới đây Hình 11.5. Hệ số tương tác bậc hai Aij 92  Chuyển sang bảng hệ số tương tác Bij, chọn phím Bij. Trong trường hợp này, tất cả các hệ số Bij được mặc định bằng 0. 3. Thiết lập phản ứng Phản ứng giữa nước và propylene oxide tạo thành propylene glycol: H2O + C3H6O  C3H8O2  Quay trở lại Simulation Basis Manager  Bấm vào Reactions tab. Trong tab này cho phép thiết lập các phản ứng xảy ra trong lưu trình.  Trong Reactions group, bấm vào phím Add Rxn, sẽ xuất hiện cửa sổ các thuộc tính của phản ứng Reactions property.  Trong danh sách, chọn Kinetic Reaction, sau đó bấm vào phím Add Reaction. Giao diện thuộc tính của Kinetic Reaction xuất hiện, mở Stoichiometry tab. Điền thông tin như hiển thị trong hình 11.6. dưới đây. Hình 11.6. Kinetic Reaction – Stoichiometry tab HYSYS sẽ cung cấp giá trị mặc định của các thông số bậc của phản ứng thuận Forward Order và bậc của phản ứng nghịch Reverse Order dựa trên hệ số tỷ lượng của phản ứng (reaction stoichiometry). Các dữ liệu động học của quá trình, trong trường hợp này lượng nước dư, vì vậy phản ứng là bậc một với propylen oxit.  Trong ô Fwd Order theo H2O, thay đổi giá trị thành 0 biểu thị là dư nước. Hoàn thành Stoichiometry tab và được hiển thị như hình 11.7. 93 Hình 11.7. Kinetic Reaction – Stoichiometry tab  Trong giao diện Kinetic Reaction, chuyển sang Basis tab.  Trong ô Basis, giữ nguyên giá trị mặc định Molar Concn.  Vào ô Base Component. Theo mặc định, HYSYS đã chọn cấu tử đầu tiên được liệt kê trong danh sách trên Stoichiometry tab là cấu tử cơ bản. Trong trường hợp này Propylene oxide là cấu tử cơ bản.  Trong ô Rxn Phase, chọn CombinedLiquid từ danh sách thả xuống. Hoàn thành Basis tab như trong hình 11.8. Hình 11.8. Kinetic Reaction – Basis tab 94  Chuyển sang Parameters tab. Trong giao diện này sẽ khai báo các thông số Arrhenius parameters cho phản ứng động học. Trong trường hợp này, không xảy ra phản ứng nghịch (Reverse Reaction), vì vậy chỉ phải khai báo các thông số cho phản ứng thuận ở Forward Reaction parameters.  Trong Forward Reaction, ô A nhập giá trị 1.7e13.  Trong Forward Reaction, ô E (năng lượng hoạt hoá), nhập giá trị 3.24e4 (btu/lbmole). Trên thanh trạng thái ở phía dưới bên phải của giao diện Kinetic Reaction sẽ thay đổi từ Not Ready thành Ready. Như vậy việc thiết lập phản ứng đã hoàn thành. Giao diện Parameters tab sẽ như hình 11.9. Hình 11.9. Kinetic Reaction – Parameters tab  Bước tiếp theo là tạo Reaction Set chứa các phản ứng mới. Trong danh sách các Reaction Set của HYSYS cung cấp Global Rxn Set bao g m tất cả các phản ứng đã được xác định. Trong trường hợp này, chỉ có duy nhất một phản ứng, nhập Rxn-1 vào Global Rxn Set.  Bước cuối cùng là liên kết Reaction Set vào Fluid Package, để có thể thực hiện tính toán trong flowsheet. Thêm Reaction Set vào Fluid Package. Sau khi đã thêm phản ứng vào Fluid Package, bấm phím Enter the Simulation Environment và bắt đầu xây dựng mô phỏng. 4. Khởi tạo hai dòng nguyên liệu Nhập dòng nguyên liệu thứ nhất với các giá trị như trong bảng sau: 95 Name Prop Oxide Temperature 75oF Pressure 1.1 atm Molar Flow 150 lbmole/h Component Mole Fraction 12C3Oxide 1.000 Nhập thêm dòng nguyên liệu thứ hai Name Water Feed Temperature 75oF Pressure 16.17 psi Mass Flow 11,000 lb/h Component Mole Fraction H2 O 1.000 5. Khởi tạo thiết bị trộn hỗn hợp Mixer, sử dụng để trộn hai dòng nguyên liệu. Điền các thông tin như hình 11.10. Hình 11.10. Kết nối các dòng với Mixer 6. Khởi tạo thiết bị phản ứng  Từ Object Palette, chọn CSTR, và đưa vào PFD. 96  Đặt tên thiết bị phản ứng là CSTR, nối với dòng nguyên liệu là Mix_Out. Dòng sản phẩm hơi là CSTR Vent, dòng sản phẩm lỏng là CSTR Product. Hình 11.11. Kết nối các dòng với Reactor  Chuyển sang Details page của Reactions tab, chọn Global Rxn Set. Hình 11.12. Liên kết Reaction Set với Reactor Bước tiếp theo là khai báo tham số cho thiết bị phản ứng Vessel Parameters. Trong trường hợp này thiết bị phản ứng có thể tích là 280 ft3 và độ điền đầy là 85%.  Chuyển sang Dynamics tab, sau đó chọn Specs page (hình 11.13).  Trong Model Details group, bấm vào Vessel Volume. Nhập giá trị 280 (ft3). 97  Trong Liq Volume Percent, nhập giá trị 85. Hình 11.13. Khai báo các tham số cho thiết bị phản ứng Chuyển sang Worksheet tab (hình 11.14). Tại thời điểm này, dòng sản phẩm và dòng năng lượng làm mát chưa biết bởi vì thiết bị phản ứng chỉ có một bậc tự do. Lúc này có thể khai báo hoặc là nhiệt độ dòng ra hoặc là năng lượng làm lạnh. Thiết bị phản ứng được giả thiết làm việc trong điều kiện đẳng nhiệt, do đó nhiệt độ dòng sản phẩm ra bằng nhiệt độ dòng nguyên liệu vào bằng 75oF. Trong cột CSTR Product, nhập giá trị Temperature là 75oF, như trong hình 11.14. Hình 11.14. 98 Không có thay đổi pha trong thiết bị phản ứng Reactor ở điều kiện đẳng nhiệt, dòng sản phẩm hơi CSTR Vent bằng 0. Ngoài ra, yêu cầu năng lượng làm mát được tính toán biểu diễn qua Heat Flow của dòng tác nhân lạnh (Coolant stream). Tiếp theo kiểm tra độ chuyển hoá trong thiết bị phản ứng phụ thuộc vào nhiệt độ phản ứng. Chuyển sang Reactions tab, sau đó chọn Results page. Độ chuyển hoá sẽ hiển thị trong bảng Reactor Results Summary như hình 11.15. Hình 11.15. Kết quả tính toán độ chuyển hoá của phản ứng Với nhiệt độ phản ứng giả thiết là 75oF, độ chuyển hoá của phản ứng Actual Percent Conversion (Act.% Cn5.) trong thiết bị phản ứng là 40.3%. Cần phải điều chỉnh nhiệt độ sao cho độ chuyển hoá đạt 85  95%. Điền các giá trị sau: Reactor Temperature: ________________________________ Actual Percent Conversion: ____________________________ 7. Lưu case vào thư mục xác định  Vào File menu.  Chọn Save As.  Đặt tên file là CSTR sau đó bấm phím OK. Hoàn thành mô phỏng nhận được lưu trình PFD như trong hình 11.16. 99 Hình 11.16. PFD công nghệ sản xuất propylen glycol từ propylen oxit và nước 11.4. Tóm tắt và ôn tập chƣơng 11 Trong chương này đã thực hiện xây dựng lưu trình PFD để mô phỏng công nghệ sản xuất propylen glycol. Propylen oxit phản ứng với nước tạo thành propylen glycol trong thiết bị phản ứng loại thùng có khuấy liên tục (CSTR). Propylen oxit và nước được trộn trong Mixer. Hỗn hợp sau khi trộn được đưa vào thiết bị phản ứng khuấy liên tục, trong điều kiện áp suất khí quyển propylen glycol được tạo thành. 100 Chƣơng 12 THÁP HẤP THỤ Nội dung Trong chương này giới thiệu cách sử dụng HYSYS để mô phỏng quá trình hấp thụ khí liên tục trong tháp đệm. Thiết bị hấp thụ mặc định trong HYSYS là loại tháp đĩa (Tray Section), có dòng sản phẩm hơi từ đỉnh tháp, và dòng sản phẩm lỏng từ đáy tháp. Không có sẵn các thông số cho tháp hấp thụ, mà dựa trên cấu hình chung của tháp. Điều kiện và thành phần của dòng nguyên liệu, c ng như áp suất làm việc sẽ xác định sự hội tụ của tháp. Khi tính toán tháp hội tụ, kết quả nhận được bao g m điều kiện và thành phần của các dòng sản phẩm hơi và sản phẩm lỏng. Mục tiêu Sau khi học xong người sử dụng có thể:  Sử dụng thiết bị hấp thụ trong HYSYS để mô phỏng quá trình hấp thụ  Xác định được các thông số thiết kế tháp hấp thụ 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. 101 12.1. Bài toán Propylen carbonat hấp thụ CO 2 trong tháp đệm. Dòng khí nguyên liệu có 20% mol CO2 và 80% mol metan. Lưu lượng dòng là 2 m3/s và điều kiện làm việc của tháp là 60oC và 60,1 atm. Lưu lượng dòng dung môi là 2000 kmol/h. Sử dụng HYSYS để xác định hàm lượng CO2 (% mol) trong dòng khí ra, chiều cao tháp (m) và đường kính tháp (m). 12.2. Thực hiện mô phỏng quá trình hấp thụ 1. Xây dựng cơ sở mô phỏng Nhập các thông tin sau trong giao diện Simulation Basis Manager Trong cửa sổ của tab… Chọn… Property Package Sour PR Components CH4, CO2, Propylene Carbonate Bấm phím Enter Simulation Environment để mô phỏng. 2. Thiết lập các dòng nguyên liệu Thiết lập dòng dung môi với các thông tin sau. Trong ô này.... Nhập thông tin... Name Solvent In Temperature 60oC Pressure 60.1 atm Molar Flow 2000 kgmole/h Component Mole Fraction CO2 0.000 Methane 0.000 C3=Carbonate 1.000 Thiết lập dòng khí nguyên liệu với các thông tin sau. 102 Trong ô này... Nhập thông tin... Name Gases In Temperature 60oC Pressure 60.1 atm Molar Flow 7200 m3/h Component Mole Fraction CO2 0.200 Methane 0.800 C3 = Carbonate 0.000 3. Thiết lập tháp hấp thụ  Bấm vào biểu tượng Absorber trên Object Palette, như hình bên  Vào Connection page, nhập các thông tin sau. Giao diện như hình 12.1. Trong ô này... Nhập thông tin... Name Absorber Top Stage Inlet Solvent In Bottom Stage Inlet Gases In Ovhd Vapour Outlet Gases Out Bottom Liquid Outlet Liquid Out Hình 12.1. Giao diện Absorber – Connections page (1 of 3)  Bấm vào phím Next, và tiếp tục nhập các thông tin như trong hình 12.2. 103 Hình 12.2. Giao diện Absorber – Connections page (2 of 3)  Bấm vào phím Next, và tiếp tục nhập các thông tin như trong hình 12.3. Hình 12.3. Giao diện Absorber – Connections page (3 of 3)  Sau đó bấm vào phím Done... sẽ xuất hiện cửa sổ như hình 12.4. 104 Hình 12.4. Giao diện Absorber – Connections page đã hoàn thành Để thực hiện tính toán, bấm vào phím Run ở phía dưới cửa sổ. Hộp trạng thái màu đỏ với chữ Unconverged sẽ chuyển sang màu xanh với chữ Converged nếu toàn bộ quá trình thực hiện chính xác như hướng d n ở trên. Tuy nhiên kết quả tính toán nhận được là cho tháp hấp thụ loại tháp đĩa, cần phải chuyển sang tháp đệm. Trình tự thao tác để chuyển từ tháp đĩa sang tháp đệm như sau:  Bấm vào Tools trên thanh menu chính, chọn Utilities.  Trong cửa sổ Available Utilities di chuyển xuống dưới và chọn Tray Sizing như trong hình 12.5. Hình 12.5. Cửa sổ Available Utilities 105  Bấm phím Add Utility sẽ xuất hiện cửa sổ Tray Sizing như hình 12.6. Đặt tên trong ô Name là Packing. Hình 12.6. Cửa sổ Tray Sizing  Bấm vào phím Select TS... ở phía trên bên phải cửa sổ Tray Sizing, sẽ xuất hiện cửa sổ Select Tray Section như hình 12.7. Bấm phím chọn All trong Object Filter, lựa chọn Absorber trong Flowsheet, sau đó chọn TS-1 trong Object, sau đó bấm phím OK. Hình 12.7. Cửa sổ Select Tray Section 106  Trở về cửa sổ Select Tray Section. Bấm phím Auto Section..., sẽ xuất hiện cửa sổ Auto Section Information, trong nhóm Internal Type chọn Packed, trong hộp Packing Type có danh sách các loại đệm được thả xuống, cuộn xuống để chọn loại đệm Raschig Rings (Ceramic) 1_4 inch như hình 12.8. Hình 12.8. cửa sổ Auto Section Information  Sau khi lựa chọn xong, bấm phím Next>, 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: CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH3  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 a. Mở Tools/Databook. Bấm vào phím Insert và chọn Pre-Heat trong Object, chọn Temperature trong Variable và bấm phím Add. Làm tương tự cho Heat-Duty trong Object, chọn Heat Flow trong Variable và bấm phím Add. Tương tự chọn Heat Exch trong Object, chọn UA trong Variable và bấm phím Add. Đóng cửa sổ. b. Chuyển sang Case Studies và bấm phím Add. Chọn Ind (Independent Variable) cho Pre-Heat và chọn Dep (Dependent Variable) cho HeatDuty và Heat Exch. Bấm phím View. Nhập giá trị 500 cho Low Bound, 620 cho High Bound, và 10 cho Step Size. c. Bấm Start. Sau vài giây bấm vào Results để xem kết quả. 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 c. Trong sản phẩm khí đỉnh tháp có 90% etylen (0.90 mol frac). Kiểm tra chắc chắn rằng degree of freedom bằng “0”. 6. Với component splitter, sử dụng các thông tin sau: a. Overhead Pressure 101 kPa b. Overhead Vapor fraction “1” c. Bottoms Pressure 101 kPa d. Bottoms Vapor fraction “1”. 7. Với Recycle, flowrate ban đầu bằng “0”. HYSYS sẽ tính toán giá trị chính xác bằng phép tính lặp. 8. Mở Workbook đọc kết quả tính toán. 14.5. Bài tập 5. Chƣng cất Chưng tách hỗn hợp có 5 paraffin thành phân đoạn nh và phân đoạn nặng bằng cách sử dụng tháp chưng có 12 đĩa lý thuyết, ngưng tụ h i lưu hoàn toàn, và có reboiler. Dòng nguyên liệu có lưu lượng 1000 lbmol/h, chứa (%mol) 3% etan, 2 0% propan, 37% n-butan, 35% n-pentan, và 5% n-hexan, ở 225 oF và 250 psi, được đưa vào tháp chưng tại đĩa số 7 tính từ trên đỉnh xuống. Áp suất condenser là 248 psi, áp suất reboiler là 252 psi. Tính toán sơ bộ yêu cầu tỷ số h i lưu là 6,06 và sản phẩm hơi đỉnh tháp là 226 lbmol/h. Yêu cầu trong sản phẩm đỉnh propan 191 lbmol/h, trong sản phẩm đáy butan 365 lbmol/h. Thực hiện mô phỏng 1. Khởi động HYSYS và chọn SRK cho Fluid Package. Mở cửa sổ Component và nhập các cấu tử. Đóng cửa sổ Fluid Package. 2. Bấm phím Enter Simulation Environment và chọn Distillation Column trong Object Palette và đưa vào Process Flow Diagram (PFD). Nhắp đúp vào Distillation Column, và điền tên các dòng năng lượng Condenser là C-Duty, năng lượng Reboiler là R-Duty, cho dòng nguyên liệu là F, cho dòng Distillate là D và cho dòng Bottom là B. Điền số đĩa là 12, đĩa nạp liệu là đĩa 7. Chọn Condenser type là Full Reflux. Bấm phím Next>. 3. Điền áp suất Condenser và Reboiler như đầu bài đã cho. Bấm Next>. 4. Điền nhiệt độ giả định cho Condenser là 100oF, cho Reboiler là 240oF, HYSYS sẽ tính toán giá trị nhiệt độ chính xác. Bấm phím Next>. 5. Điền giá trị đầu bài đã cho Vapour Rate là 226 lbmole/h và Reflux Ratio là 6.06. Bấm phím Done. 134 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. 138