BT mô hình mô phỏng

Chưng cất là một quá trình động trong đó hỗn hợp được phân tách, trữ lượng trong tháp và nồng độ thành phần của các cấu tử thay đổi liên tục, vì thế mô hình toán học của quá trình phải l

Trang 1

I TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT

1 Nguyên lí hoạt động của tháp chưng cất

Hình 1: Cấu trúc cơ bản của một tháp chưng cất 2 sản phẩm

Thuyết minh:

2 Giới thiệt về nguyên liệu

Benzen

Toluene

Hỗn hợp Benzene-Toluene

Bảng 1: Thành phần lỏng (x)- hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Benzene-Toluene ở

760 mmHg [1]

II TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH THÁP CHƯNG CẤT

1 Giới thiệu chung

Trang 2

Các loại mô hình được sử dụng chủ yếu cho tháp chưng cất là mô hình vật lý và mô hình toán học

 Mô hình vật lý: Các thiết bị của hệ thống được đơn giản hóa và thu nhỏ với một tỷ lệ nhất định Việc xây dựng mô hình loại này mất rất nhiều thời gian và kinh phí, thường khó khả thi trong các nhà máy, dự án nhỏ

 Mô hình toán học: Là một mô hình trừu tượng ở đó đặc tính của hệ thống được phản ánh qua các phương trình toán học Mô hình có thể được xây dựng bằng phương pháp lí thuyết, phương pháp thực nghiệm hoặc kết hợp cả hai phương pháp lí thuyết và thực nghịệm

Ở bài này, ta sẽ sử dụng mô hình toán học

2 Các phương pháp xây dựng mô hình toán học

Về nguyên tắc, có hai phương pháp cơ bản để xây dựng mô hình toán học:

II.1 Phương pháp lí thuyết

Xây dựng mô hình dựa trên các định luật vật lí, hóa học cơ bản kết hợp với các thông số kĩ thuật của thiết bị công nghệ, kết quả nhận được là một hệ phương trình vi phân và phương trình đại số Mô hình lí thuyết xuất phát từ các phương trình cân bằng vật chất (cân bằng tổng khối lượng và cân bằng thành phần) và cân bằng năng lượng Phương pháp lí thuyết phụ thuộc nhiều vào quá trình cụ thể, đòi hỏi nhiều kinh nghiệm thực tế

Chưng cất là một quá trình động trong đó hỗn hợp được phân tách, trữ lượng trong tháp và nồng độ thành phần của các cấu tử thay đổi liên tục, vì thế mô hình toán học của quá trình phải là động, bao gồn

cả phương trình đại số và phương trình vi phân Một mô hình chi tiết cho tháp chưng cất bao gồm các phương trình cân bằng vật chất, năng lượng trên mỗi mâm, cân bằng nồng độ thành phần, mô hình của bình ngưng và thiết bị gia nhiệt Tuy nhiên, cho đến nay các mô hình đều được đơn giản hóa với nhiều giả thiết như bỏ qua ảnh hưởng của cấu trúc tháp đến cân bằng năng lượng, bỏ qua động học dòng lỏng,

bỏ qua động học áp suất…Đây là phương pháp sẽ được sử dụng trong bài này

II.2 Phương pháp thực nghiệm

3 Các bước xây dựng mô hình toán học bằng phương pháp lí thuyết

 Thiết lập các phương trình cân bằng vật chất, năng lượng

 Xây dựng các phương trình mô tả các quá trình cơ bản đối với tất cả các khâu, phương trình liên

hệ giữa các khâu

 Xây dựng mô hình, lựa chọn phương pháp giải hệ phương trình

III MÔ HÌNH HÓA THÁP CHƯNG CẤT HAI CẤU TỬ BENZENE-TOLUENE

1 Đề bài

Trang 3

2 Các biến của quá trình

Bảng 2: Các biến quá trình

1 Nồng độ phần mol của Benzene pha lỏng trong sản phẩm đỉnh phần mol

2 Nồng độ phần mol của Benzene pha lỏng trong sản phẩm đáy phần mol

4 Nồng độ phần mol của cấu tử Benzene pha lỏng trên mâm i phần mol 5

6

7

F

ZF

Nồng độ phần mol của cấu tử Benzene pha hơi trên mâm i

Lưu lượng của dòng nhập liệu Nồng độ phần mol dòng nhập liệu

phần mol kmol/s phần mol

22 Qc Lưu lượng nhiệt thu hồi trong bình ngưng (Condenser) kcal/s

3 Các giả thiết đơn giản hóa

 Hỗn hợp đầu vào coi như chỉ gồm hai cấu tử nặng và nhẹ

 Bỏ qua động học của thiết bị ngưng tụ và thiết bị đun sôi đáy tháp

 Áp suất, nhiệt độ tại mỗi mâm bên trong tháp là đồng nhất

 Trữ lượng hơi tại mỗi mâm là không đáng kể, như vậy nếu phải xây dựng phương trình cân bằng vật chất ta chỉ cần quan tâm tới lượng chất lỏng tại mỗi mâm

 Nhiệt độ tại mỗi mâm được xác định ngay lập tức sau trạng thái cân bằng

 Sự hóa hơi không có ảnh hưởng gì đến việc truyền nhiệt ra môi trường

 Enthalpy của dòng chất lỏng thay đổi không đáng kể, nghĩa là chênh lệch nhiệt độ giữa 2 mâm gần nhau có thể bỏ qua, do đó phương trình cân bằng nhiệt có thể bỏ qua

 Thành phần sản phẩm đỉnh tháp coi như ngưng tụ hoàn toàn

 Tốc độ bay hơi và tốc độ ngưng tụ là bằng nhau

 Độ bay hơi tương đối giữa cấu tử dễ bay hơi so với cấu tử khó bay hơi coi như không thay đổi

 Tất cả các mâm đều đạt trạng thái cân bằng nhiệt động học giữa hai pha, tức là hiệu suất đạt 100% Khi đạt trạng thái cân bằng lỏng-hơi, độ bay hơi tương đối được biểu hiện theo biểu thức

 Bỏ qua cân bằng động lượng trên các mâm

Trang 5

4 Các phương trình toán động học

Hình 2: Mô tả dòng vật chất tại thiết bị ngưng tụ

Phương trình cân bằng vật chất tổng:

Phương tình cân bằng vật chất cho cấu tử Benzene:

Phương trình cân bằng năng lượng

Trang 6

4.2 Tại mâm trên cùng của đỉnh tháp (Mâm n, i=n)

Hình 3: Mô tả dòng vật chất tại mâm n

Phương trình cân bằng năng lượnng:

Trang 7

4.3 Tại mâm thứ i

Hình 4: Mô tả dòng vật chất tại mâm thứ i

Trang 8

4.4 Tại mâm nhập liệu f (Mâm f; i=f)

Hình 5: Mô tả dòng vật chất tại mâm nhập liệu f

q: thành phần lỏng có trong dòng nhập liệu

Trang 9

4.5 Tại mâm cuối cùng, đáy tháp chưng cất

Hình 6: Mô tả dòng vật chất tại mâm 1

Phương trình cân bằng năng lượng:

Trang 10

4.6 Thiết bị đun sôi đáy tháp (L o =B)

Hình 6: Mô tả dòng vật chất tại nồi đun

Phương trình cân bằng năng lượng

Ngoài ra, còn có thêm các phương trình:

 Phương trình cân bằng pha ở mỗi mâm:

 Tổng phần mol của hỗn hợp 2 cấu tử:

 Cần quan tâm đến tới động học chất lỏng trên mỗi mâm, hay nói cách khác là mối liên quan giữa trữ lượng chất lỏng tại mỗi mâm và lưu lượng chất lỏng đi ra khỏi mâm đó Trữ lượng càng lớn thì lưu lượng rời khỏi mâm đó càng lớn Ta có thể tính theo công thức Francis Weir:

Thông thường giá trị được chọn là 0

Trang 11

5 Mô hình phi tuyến tháp chưng cất với đầu ra là nồng độ sản phẩm tháp

Sơ đồ thuật toán

BEGIN

Các giá trị xác lập

END

NF< i <NT Tính yD; L(i); dM/dt(i);

d(M.x)/dt(i); dx/dt(i) theo

i = NF Tính yD; L(i); dM/dt(i);

d(M.x)/dt(i); dx/dt(i) theo

i <=NF-1 i:=i+1 i:=1; Tính yD; L(i); dM/dt(i); d(M.x)/dt(i);

dx/dt(i) theo

Định dạng
Số trang	11
Dung lượng	388,12 KB