Báo cáo mẫu cho môn thực hành tin học ứng dụng trong CNHH

Báo cáo mẫu cho môn thực hành tin học ứng dụng trong CNHH

Mục lục Tổng quan về Pro/II

I - Giới Thiệu Phần Mềm Pro/II

II - 7 bước sử dụng phần mềm PROII

III - Sơ đồ một quy trình dùng phần mềm PRO/II

IV - Nhập dữ liệu và chọn thuật toán

V - Kiểm tra độ tin cậy của kết quả

1 Giới thiệu tổng quan

2 Phương pháp tính toán

3 Phân loại mô hình chưng cất:

4 Phân loại

C-CHƯNG CẤT

1 Thuật toán Inside Out

2 Thuật toán Chemdist

3 Thuật toán Eldist

4 Tính toán thuỷ động lực học cho tháp chưng c ất

5 Tốc độ và kích thước của tháp đĩa

TỔNG QUAN VỀ PRO/II

I -

Giới Thiệu Phần Mềm Pro / II

PROII là phần mềm của công ty SIMSCI, dẫn đầu trong lĩnh vực mô phỏng công nghệ từ năm 1967 Công ty SIMSCI là thành viên của

Intelligent Automation Division, thuộc công ty Invensys (địa chỉ

website: http://www.simsci-esscor.com ) hoạt động trong lĩnh vực điều khiển tự động, cung cấp các phần mềm ứng dụng trong công nghệ lọc hoá dầu, thực phẩm, năng lượng,…

Phần mềm PRO/II là phần mềm mô phỏng trợ giúp các kỹ sư công nghệ hoá học, dầu khí, Polimer…Từ việc tách ra dầu và khí đến những quy trình chưng cất, PRO/II kết hợp những tài nguyên dữ liệu của thư viện thành phần hóa học rộng lớn và phương pháp dự đoán thuộc tính nhiệt động tiên tiến nhất PRO/II là công cụ tính toán dễ dàng các cân bằng vật chất và năng lượng, nhằm mô phỏng quy trình ở trạng thái ổn định; theo dõi, tối ưu hóa, cải thiện năng suất…

Có thể vào trang chủ PRO/II để biết chi tiết về phần mềm,cách dùng

và nhiều hổ trợ khác,có thể đăng kí mua bản PRO/II

II - 7 bước sử dụng phần mềm PROII

Sự mô phỏng kết quả tới Desktop được thực hiện qua 7 buớc:

1) Vẽ sơ đồ qui trình sản xuất:

Lựa chọn hoạt động đơn vị thích hợp từ PRO/II từ những biểu tượng thích hợp, trỏ vào nút biểu tượng, kích chuột, và thả đơn vị trong phạm vi hoạt động bằng cách kích lần nữa Xác định rõ những dòng bằng cách chọn nút STREAM, kích chuột cho đầu vào và ra mỗi đơn vị công nghệ

2) Định rõ những thành phần:

Kích nút biểu tượng những thành phần để vào một danh sách tất cả các thành phần trong quá trình Chọn từ hơn 1,700 thành phần đuợc xây dựng trong cơ sở dữ liệu của SIMSCI bằng cách đánh vào tên thành phần hoặc lựa chọn từ danh sách đuợc xác định trước đó

3) Lựa chọn những phương thức Tính toán Nhiệt động:

Kích nút sơ đồ pha để chọn những phương thức nhiệt động từ danh sách những phương thức thường sử dụng, khái quát hóa, phương trình trạng thái, phương thức chất lỏng hoạt động, và những gói dữ liệu đặc biệt.

4) Định rõ những dòng được nhập liệu:

Nhấn đúp vào mỗi dòng nhập liệu ngoài để cung cấp dữ liệu dòng ( lưu luợng chảy, thành phần, nhiệt độ, áp suất ).

5) Cung cấp những điều kiện cho Qui trình

Nhấn đúp vào mỗi biểu tượng đơn vị hoạt động trong sơ đồ qui trình sản xuất , và cung cấp dữ liệu ( những vùng dữ liệu đuợc phác thảo màu đỏ) Khi nhập dữ liệu quá trình, vùng dữ liệu thay đổi màu từ đỏ đến xanh

6) Chạy mô phỏng

Một lần bạn cung cấp tất cả dữ liệu đuợc yêu cầu và không còn nhìn

thấy những vùng đỏ, vậy là bạn sẵn sàng để chạy sự mô phỏng

7) Xem kết quả:

Sau khi chạy xong quá trình mô phỏng, bạn có thể xem lại những kết quả và xếp thành bảng sử dụng báo cáo để in mặc định hoặc trực tiếp trong Excel.

III - Sơ đồ một quy trình dùng phần mềm PRO/II

IV - Nhập dữ liệu và chọn thuật toán

1) Nhập dữ liệu :

Khi nhập dữ liệu cần chú ý đến tính hợp lý các thông số công nghệ thực tế, do thiết bị có thể bị hư hỏng và cho kết quả sai mà không

biết.Chương trình muốn hội tụ các thông số phải tương ứng và hài hoà

với nhau Một thông số không hợp lý làm quá trình tính toán không hội

tụ làm không biết nguyên nhân

Quá trình nhập dữ liệu chỉ cần nhập một phần các giá trị cần thiết, cácthông số còn lại được tính toán khi chạy chương trình

Thông số được chia ra làm 3 loại:

 Thông số không đổi: là thông số giữ cố định trong suốt quá trình tính toán như áp suất, nhiệt độ, lưu lượng dòng trích ngang…

 Thông số ước lượng : là thông số phải khai báo hoặc không cần khai báo tuỳ ý Đối với thông số này, bộ tính toán

xem như là giá trị đầu của thuật toán lặp, kết quả tính toán có thể khác so với giá trị ước lượng ban đầu Tuy nhiên kết quả ước lượng phải gần kề với giá trị kết quả thì chương trình mới hội tụ.

 Thông số không cung cấp: là thông số không cần nhập, được phần mềm qui định

Khi nhập xong dữ liệu vào, ô thông số chuyển sang màu xanh Nếu dữkiện vẫn còn thiếu thì ô có màu đỏ và cần bổ sung cho khi nào chuyển sang màu xanh thì mới được chạy chương trình

2) Chọn thuật toán:

Trong quá trình lặp, PRO II cần các giá trị ban đầu của thông số, từ đóPRÔ II tự động ước lượng bằng công cụ IEG dựa trên các thông số đã cung cấp IEG chỉ được sử dụng hai thuật toán lặp I/O và Chemdist trongPRO/II Khi mô phỏng quá trính chưng cất dầu mỏ thì I/O thường được

sử dụng vì giải nhanh và phù hợp cho các hệ Hydrocacbon

Phương pháp tính lặp I/O (inside/outside): chia công việc tính toán thành hai vòng lặp, vòng lặp nội và vòng lặp ngoại.Vòng lặp nội PRO/II giải các phương trình của cột chưng cất: phương trình cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt và điều kiện biên Vòng lặp nội dùng phương pháp tính gần đúng nên xác định các biên số rất nhanh

Sau khi vòng lặp nội đã hội tụ (sai số giữa hai lần lặp đạt yêu cầu) thì PRO/II chuyển sang tính vòng lặp ngoại Tại vòng lặp ngoại, sẽ tính các giá trịi như K (độ bay hơi tương đối ), H (enthalpy) dựa trên kết quả vòng lặp nội về thành phần, nhiệt độ Việc tính toán các phương trình nhiệt động có thể chiếm tới 80% thời gian tính toán vì đây là các phươngtrình phức tạp về thành phần và áp suất

PRO/II chia làm hai vòng lặp nội và ngoại để giảm số lần giải các phương trình nhiệt động, trong đó có vòng lặp nội tính toán gần đúng

Lưu đồ tính toán của phương pháp I/O

Khi chương trình không hội tụ, có nhiều nguyên nhân dẫn đến không hội tụ:

- Thông số đầu vào không chính xác, dữ kiện bị thiếu hoặc quá chặc chẽ nên không thực hiện được

- Do mô hình không hợp lý như không đủ số mâm lý thuyết, thuật toán chọn sai, bộ tính toán tính chất không phù hợp…

- Do thông số mặc định cho phần mềm không thích hợp: mặc dù quá trình hội tụ nhưng không đủ số vòng lặp nên không

có đáp số, do vậy cần phải tăng thêm số vòng lặp tối đa cho phép hoặc giảm hệ số “damping”

- Sai số khắc khe, khó đạt được …

V - Kiểm tra độ tin cậy của kết quả

Khi đã phân tích kết quả và thấy mô hình tính toán phù hợp qui trình thực tế thì kiểm tra độ tin cậy của kết quả tính toán bằng cách :

o Thay đổi bộ tính toán tính chất (phải phù hợp với hệ đang mô phỏng)

o Thay đổi cấu tử giả của dòng nhập liệu

o Khi tăng số cấu tử giả mà kết quả tính toán chênh lêch không đáng kể thì phải lấy kết quả mới chính xác hơn

Nói chung bước kiểm tra độ tin cậy không nhất thiết phải được thực hiện nếu không có mối nghi ngờ nào

VI - Một số công cụ hỗ trợ

Bộ phận ngưng tụ:

Sản phẩm đỉnh từ tháp có bộ phận ngưng tụ tương tự như sản phẩm từreflux accumulator drum

Việc lựa chọn bộ phận ngưng tụ tuỳ thuộc vào các yếu tố:Thành

phần,Nhiệt độ bay hơi, nhiệt độ làm việc, nhiệt độ quá lạnh, độ giảm nhiệt độ quá lạnh

Bộ phận đun lại(nồi đun lại)

-Thường được tự mặc định dạng tiêu chuẩn(kettle):được xây dựng dựa trên năng suất của mâm đáy củ tháp với sản phẩm cân bằng lỏng là sản phẩm đáy

-Đối với thuật toán I/O và I/O mở rộng, ta có thể dùng các dang sau: nồi đun lại có điều chỉnh lưu lượng và ồi đun lại không điều chỉnh lưu lượng

-Đối với các thuật toán khác thì chỉ có thể dùng nồi đun lại tiêu chuẩn

-Các cài đặt của thermosiphon nồi đun:

+Thành phần của dòng lỏng hồi lưu của nồi đun

+ Nhiệt độ của dòng hồi lưu

+ Nhiệt độ thay đổi khi đi qua nồi đun

+ Tốc độ quay vòng của nồi đun

Bộ phận làm nóng, làm mát:

-Các bộ phận này được đi kèm với máy bơm, năng suất âm dùng để chỉ quá trình làm mát, năng suất dương cho quá trình làm nóng Không

có giới hạn về số lượng của các bộ phận này

-Đối với mỗi bộ phận làm nóng, làm mát, cần khai báo các thông số sau: số mâm, tên, năng suất(có dấu phù hợp)

CHI TIẾT CÁC THIẾT BỊ

A- FLASH

1 Giới thiệu:

Thiết bị phân tách cân bằng pha mô phỏng các hoạt động dựa trên sự cân bằng pha Có thể dùng để mô phỏng 1 số thiết bị cân bằng đơn giản như thiết bị bốc hơi thiết bị lắng gạn,thiết bị cô đặc

2 Phương pháp tính toán:

Pro/II chứa những phần tính toán cho những trạng thái cân bằng tách chẳng hạn như flash drums , mixers,valves,splitters Flash calculations cũng thường được dùng để xác định trạng thái nhiệt động của mỗi dòng vào cho một số đơn vị vận hành Đối với Flash calculation cho 1 vài dòng, ở đây có sự tổng cộng của NC và 3 mức độ của tự do NC là số của tất cả các cấu tử trong dòng này Nếu thành phần cấu tạo của dòng

và tỉ lệ được trộn lận thì cũng có 2 bậc tự do cũng được trộn Ví dụ nhiệt

độ và áp suất của tách đẳng nhiệt Nói thêm , đối với tất cả các đơn vị vận hành, Pro cũng có thể biểu diễn 1 Flash calculation trên dòng sản phẩm tại điều kiện đầu ra.Sự khác biệt enthalpy của dòng sản phẩm và dòng vào là net duty của đơn vị vận hành

Hệ thống các phương trình: Tổng cân bằng khối lượng :

3 Flash drum

Đơn vị của Flash drum có thể được vận hành với những thông số điềukiện , đẳng nhiệt đỉêm sương , đỉêm sủi bọt khác nhau …Đỉêm sủi bọt cũng có thẻ đựơc xác định cho pha hydrocacbon hay pha nước Đỉêm cao hơn đỉêm sương cũng có thể được xác định cho tổng dòng Nói thêm, đối với 1 số dòng tổng quát đặc biệt như tốc độ cấu tử hay là đặc tính dòng đặc biệt chẳng hạn như sulfur có chứa áp suất và nhiệt độ

B- SHORTCUT

1 Giới thiệu tổng quan:

Shortcut được sử dụng trong tính toán sơ bộ để xác định số bậc cần thiết đối với 1 sự phân tách cho trước Việc tính toán dựa trên quy trình

cổ điển Fenske-Gilliland-Underwood, được làm thích ứng để xử lý các

bộ ngưng tụ 1 phần hay toàn phần Ta nên sử dụng các mô hình tính toánnhanh trong các giai đoạn đầu của tính toán flowsheeting để hội tụ các

dòng hoàn lưu 1 cách dễ dàng hơn, bởi các thông số sẽ luôn luôn được thoả mãn ngay cả khi việc định kích thước có vấn đề.

Pro/II điều khiển phương pháp tính toán chưng cất shortcut nhằm xác định trạng thái làm việc của tháp như phân tách cấu tử, số đĩa cực tiểu, tỉ

số hồi lưu tối thiểu Thiết bị Shortcut giả thiết rằng luợng trung bình của chất dễ bay hơi có thể được xác định Quy trình Fenske đuợc dùng để tính toán hiệu suất và số đĩa cực tiểu cần thiết Tỉ số hồi lu tối thiểu đuợcxác định bởi phương pháp Underwood Quy trình Gilliland đuợc dùng đểtính số đia lý thuyết yêu cầu, tỉ lệ dòng hồi lưu thực tế Đồng thời

phương pháp này cũng xác định chức năng của thiết bị ngung tụ và đun sôi để có thể đem lại tỉ số hồi lưu thấp nhất Cuối cùng, quy trình

Kirkbride dùng để xác định vị trí nhập liệu tối ưu

Shortcut là 1 phương pháp rất có ích cho những ai lần đầu thiết kế những đồ án thực tế Phương pháp này có nhược điểm là không hoạt động đối với một số hệ thống Đối với hệ thống gần như không lý tửơng,shortcut sẽ cho kết quả rất xấu hoặc không có kết quả Trong các trừơng hợp tháp có nhiều chất dễ bay hơi khác nhau shortcut cũng sẽ cho kết quả rất xấu

Các chế độ làm việc của thiết bị ngưng tụ có thể chọn sao cho phù hợp:

 Partial: ngưng tụ 1 phần

 Mixed: ngưng tụ hỗn hợp

 Bubble Temperature : ngưng tụ ở nhiệt độ sôi(chọn)

 Subcooled, Fixed Temperature : nhiệt độ quá lạnh

 Subcooled, Fixed Temperature Drop : độ giảm nhiệt độ quá lạnh

2 Phương pháp tính toán

Mối quan hệ giữa tốc độ hoá hơi giữa cấu tử i và cấu tử j trên mỗi đĩa trong tháp được thể hiện qua phương trình sau

N i

N j N i

N i

N j j

N N i

K

K x y

x

y



 /

/



với x:thành phần mol trong pha lỏng

y:thành phần mol trong pha hơi

chỉ số i, j tương ứng với cấu tử i và j

chỉ số N là số đĩa phản ứng

Đối với những tháp có độ bay hơi giữa các cấu tử chênh lệch rất nhỏ,

ta có thể định nghĩa độ bay hơi trung bình Đó sẽ là gía trị trung bình củasản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy

Số đĩa lý thuyết tối thiểu được tính theo công thức

αj<1 cấu tử nặng hơn cấu tử khóa

Phương pháp Underwood được dùng để xác định tỉ số hồi lưu cần thiết ứng với số mâm là vô cùng để tách hoàn toàn cấu tử khoá Đối với

1 tháp có số mâm là vô cùng,quá trình chưng cất sẽ tách loại hoàn toàn cấu tử nặng hơn cấu tử khóa Tương tự, sản phẩm đáy sẽ loại hết cấu tử nhẹ hơn cấu tử khóa Đối với những cấu tử có độ bay hơi ở khoảng giữa hai cấu tử nặng nhẹ và sẽ được phân bố giữa sản phẩm đỉnh và sản phẩmđáy

Phương trình được phát biểu bởi Shiras cũng có thể được dùng để xácđịnh chỉ số hồi lưu tối thiểu nếu chọn được cấu tử khóa chính xác :

Vị trí đĩa nhập liệu tối ưu được xác định bởi phương trình Kirkbride

Với m là số giai đoạn lý thuyết phía trên đĩa nhập liệu

p là số giai đoạn lý thuyết phía dưới đĩa nhập liệu

Tương quan Gilliland được Pro II sử dụng để dự đoán mối quan hệ giữa số đĩa tối thiểu và chỉ số hồi lưu tối thiểu để tìm ra chỉ số hồi lưu thực và số đĩa lý thuyết phù hợp

Điểm phản ứng được người sử dụng chọn như điểm giữa hệ thống đĩa

và dòng hổi lưu Dựa trên tỉ số hồi lưu phù hợp, chế độ làm việc của đỉnh tháp sẽ đựơc tính toán và kết hợp xác định cho thiết bị ngưng tụ Bộphận đun sôi được tính toán từ phương trình cân bằng nhiệt

2 dạng được sử dụng trên ProII là: mô hình tiêu chuẩn và mô hình tinh chế

Mô hình tiêu chuẩn:

Được mặc định sẵn trong ProII

Chế độ dòng hoàn lưu tổng được

cài đặt sẵn trong tháp

Mô hình tinh chế:

Tháp tính tóan nhanh bao gồm 1dãy các tháp có 1 dòng nhập liệu và

2 dòng sản phẩm bẳt đầu từ phần ở đáy

Không có hồi lưu giữa các phần

4 Phân loại:

Simple column

Là tháp mà chỉ có 1 dòng nhập

liệu được đưa vào tháp ở vị trí giữa

nồi đun và thhiết bị ngưng tụ

Chỉ được áp dụng cho pp chưng

cất nghiêm ngặt

Complex column

Là tháp có nhiều hơn 2 sản phẩm, 2 mẫu chưng cất được ứng dụng cho complex column

Tháp tinh chế sản phẩm nặng: cực kì phù hợp cho dạng mẫu chưng cất thứ 2

C- CHƯNG CẤT

Đối với hầu hết các hệ, SimSci thường sử dụng thuật toán I/O Khi 1 bàitoán có thể sử dụng nhiều hơn 1 thuật toán thì thuật toán I/O thường hội tụnhanh hơn

1 Thuật toán Inside Out :

Thuật toán này trong PROII dựa trên một bài viết của Russell vào năm

1983 Thuật toán này chứa một số thuộc tính mới mẻ đã góp phần tạo nên tính chất hội tụ tuyệt vời của nó Thuật toán này được chia ra với 2 vòng lặp

là vòng lặp trong và vòng lặp ngoài

Ở vòng lặp trong thì nhiệt, vật chất, và những đặc tính thiết kế kĩ thuật được giải quyết Những mô hình nhiệt động đơn giản cho enthalpy và giá trị

độ bay hơi tương đối K được sủ dụng trong vòng lặp trong Cùng với những

mô hình đơn giản thì sự lựa chọn biến ban đầu cho phép vòng lặp trong giải quyết một cách chính xác và đáng tin cậy

Ở vòng lặp ngoài những thông số của mô hình nhiệt động đơn giản được cập nhật dựa trên những thành phần mới và kết quả của quá trình tính toán nhiệt động chặt chẽ Khi nào mà giá trị các giá trị Enthalpy và K tính được phù hợp với mô hình nhiệt động đơn giản và các đặc tính thiết kế kĩ thuật được thỏa mãn thì thuật toán được giải quyết xong

Những biến đầu tiên trong vòng lặp trong là những yếu tố stripping và yếu

tố dòng hồi lưu Những phương trình của một vòng lặp trong bao gồm

phương trình cân bằng enthalpy cho các đĩa và phương trính của các đặc tínhthiết kế chi tiết kĩ thuật Yếu tố stripping được định nghĩa như sau:

Trong đó: Sj = yếu tố Stripping của giai đoạn j

V = the net vapor leaving the stage (lượng hơi rời khỏi đĩa)

L = the net liquid leaving the stage (lượng lỏng rời khỏi đĩa)

Kb = the base component K-value from the simple K-value model (giá trị

K của mô hình nhiệt động)

Trong đó Hj : Nhiệt cân bằng cho mỗi mâm

SPk : các đặc tính thiết kế chi tiết kĩ thuật

Hệ phương trình này được giải bằng phương pháp Newton-Raphson

Vòng lặp ngoài trong thuật toán này cập nhật dữ liệu từ những thông số của các mô hình nhiệt động đơn giản và kiểm tra sự hội tụ Ở vòng lặp trong,những phương trình chưng cất được tính toán cho mô hình nhiệt động hiện hành Sự kiểm tra hội tụ trong vòng lặp ngoài so sánh với những tính toán chặt chẽ các giá trị enthalpies và các giá trị cân bằng lỏng hơi K từ những thành phần mới ( kết quả tính toán từ vòng lặp trong)

2 Thuật toán Chemdist

Chemdist là 1 thuật tóan mới được SimSci phát triển để tính toán mô phỏng cho hệ có độ lí tưởng không cao Chemdish là phương pháp thuần Newton Raphson với việc phân tích đầy đủ những phát sinh, bao gồm phát sinh trong hoạt động và trong hệ số nhớt Chemdish cho phép 2 pha lỏng được tạo thành trên bất kì đĩa nào trong tháp và cung cấp cấu hình của 2 pha lỏng ngưng tụ Chemdish với những phản ứng hóa học cho phép thủ tục In-Line cho những phản ứng phi động lực học

Chemdish trong Pro/II là phương pháp Newton phù hợp để giải quyết những vấn đề chưng cất phi lí tưởng liên quan đến 1 số lĩnh vực trong hóa hoc (nhỏ khoảng 10%) Những điều kiện này là những va chạm chung trongchưng cất như chống lại phân đoạn thô khi mà lẽ ra nên lựa chọn phương pháp I/O Chemdish dùng để giải quyết tốt cả vấn đề cân bằng hơi- lỏng và cân bằng hơi- lỏng- lỏng như 1 phản ứng hóa học

Biểu đồ cân bằng đĩa cho trường hợp chưng cất 2 pha không có phản ứng

hóa học.

Những biểu thức được miêu tả như sau :

Cân bằng khối lượng:

exp( , ) exp( 1 )( 1 D1 ) exp( 1, )( 1 D1 ) ,L V1,

X i,j = ln(x i,j) của phân mol lỏng

Y i,j = ln(y i,j) của phân mol khí

NC = số cấu tử

NT = số đĩa

3 Thuật toán Eldist

Eldish là dạng mở rộng của Chemdish áp dụng cho mẫu chưng cất dung dịch chất điện li Nó được giải quyết nhờ sử dụng nhóm phần mếm thứ 3 từ

hệ thống OLI Máy tính tính toán trực tiếp giá trị độ bay hơi tương đối K mà

đã được chuyển hóa thành K cân bằng Sau đó Eldish dùng gía trị này để tínhtoán cân bằng lỏng- hơi

Thuật toán Eldist trong pro/II là sự kết hợp của phương pháp Newton được sử dụng trong Chemdist để giải phương trìh MESH và giải quyết

phương trình riêng cho pha lỏng được mô tả trong mô hình toán Section –Electrolyte

toán Newton-Raphson tính toán lặp vòng ngoài, trong khi phương trình riêng cho pha lỏng với giá trị K thì được tính toán bằng pp lặp vòng trong