thiết bị phản ứng trong hóa dầu

thiết bị trong hóa dầu

9 –THIẾT BỊ PHẢN ỨNG 9.1 Thiết bị phản ứng 2 9.2 CSTR / General Reactor Design Tab 4 9.2.1 Connections Page 4 9.2.2 Parameters Page 5 9.3 CSTR / General Reactor Reactions Tab 8 9.3.1 Conversion Reactor Reactions Tab 8 9.3.2 CSTR Reactions Tab 12 9.3.3 Equilibrium Reactor - Reaction Tab 16 9.3.4 Gibbs Reactor Reactions Tab 19 9.4 CSTR / General Reactor Rating Tab 23 9.5 CSTR / General Reactor Work Sheet Tab 26 9.6 CSTR / General Reactor Dynamics Tab 26 9.7 Plug Flow Reactor (PFR) Property View 27 9.7.1 PFR Design Tab 28 9.7.2 Reactions Tab 35 9.7.3 Ratings Tab 40 9.7.4 Work Sheet Tab 42 9.7.5 Performance Tab 42 9.7.6 Dynamics Tab 44 9.7.7 PFR Example Problem 45 1 9.1 Thiết bị phản ứng Ngoại trừ thiết bị phản ứng PLUG FLOW REACTOR (PFR) còn lại tất cả các thiết bị phản ứng khác có hình dạng tương đối giống nhau, có cùng kiểu mô phỏng. Khác nhau trước hết là mỗi loại thiết bị phản ứng có một chức năng riêng biệt (chuyển hóa, động học, cân bằng, xúc tác dị thể hoặc đơn giản). Trái với Seperator hay General Reactor, các Specific Reactor chỉ chấp nhận một loại phản ứng cụ thể. Ví dụ Conversion Reactor đặc trưng với các phản ứng chuyển hóa, nếu gắn nó với loại phản ứng cân bằng hay động học thì sẽ nhận được thông báo lỗi. Chỉ có Gibbs Reactor là ngoại lệ vì nó có thể có hoặc không có chức năng thiết lập phản ứng. Có thể có nhiều cách linh hoạt để thiết lập và nhóm phản ứng:  Xác định phản ứng trong Basis Manager, nhóm chúng lại và gắn vào Reactor.  Tạo phản ứng trong Reaction Package trong Main Flowsheet, nhóm chúng lại và gắn vào Reactor.  Tạo và cài đặt phản ứng trong Basis Environment, thay đổi phản ứng trong Reaction Package của môi trường mô phỏng chính. Dù được thiết lập theo cách nào ở trên, phản ứng xác định sẽ hiển thị cho toàn bộ Flowsheet, tức là một phản ứng có thể gắn với nhiều Reactor. Tuy nhiên có một vài điều cần phải lưu ý. Khi điều chỉnh phản ứng thông qua Reactor, sự thay đổi chỉ được xem như cục bộ trong Reactor đó. Sự điều chỉnh trong Basis Environment hoặc trong Reaction Package được tiến hành tự động trong mỗi reactor khi thực hiện đặt lại các tham số cho phản ứng, không phải làm những thay đổi cục bộ. Những thay đổi cục bộ luôn được giữ lại. Để hủy bỏ các thay đổi cục bộ và quay về các thông số chung của phản ứng, bận bấm phím Delete khi con trỏ ở trong khung chứa biến đổi cục bộ. Có bốn loại Reactor có liên kết chung các tính chất:  CSTR (Continuous-Stirred Tank Reactor) 2 Xem Chapter 4- Reaction của Simulation Basis manual hoặc Section 7.4.1-Reaction Package của User’s Guide để biết thêm chi tiết về việc cài đặt phản ứng và loại phản ứng.  GIBBS REACTOR  EQUILIBRIUM REACTOR  CONVERSION REACTOR Ba Reactor cuối có thể được dẫn ra từ General Reactor. Vì có sự tương đồng nên các Reactor này sẽ được nói chung. Trong giao diện property view khi có sự khác nhau ví dụ phần Reaction Tab sự khác biệt sẽ được ghi chú rõ ràng. Plug Flow Reactor (PFR) hoàn toàn khác so với các reactor trên. Vì vậy sẽ được thảo luận riêng trong mục 9.7 - Plug Flow Reactor (PFR) Property View. Để cài đặt một Reactor có thể thao tác như sau  Bấm phím F12 và chọn Reactor trong UnitOps.  Bấm phím F4, trong Object Palette chọn General Reactor, sau đó sẽ chọn reactor tương ứng GIBBS, CONVERSION hoặc EQUILIBRIUM. 3 Để gỡ bỏ các thay đổi cục bộ, di chuyển tới ô appropriate và bấm phím DELETE. General Reactors Convertion Reactors Equilibrium Reactors Gibbs Reactors CSTR 9.2 CSTR / General Reactor Design Tab CSTR và GENERAL Reactor bao gồm 5 Tab, tab đầu tiên là Design Tab, trong đó có bốn Page sau: Page Mô tả Connections Nhập tên các dòng dòng nguyên liệu, sản phẩm và dòng năng lượng cho reactor Parameters Cài đặt các thông số trao đổi nhiệt và độ giảm áp suất cho reactor. User Variables Cho phép cài đặt và xử lý các biến do người sử dụng thiết lập Notes Cho phép ghi chú các thông tin liên quan đến thiết bị. 9.2.1 Connections Page Cả bốn Reactor đều có Conection Page giống nhau. Page này bao gồm 5 Objects: Object Cần nhập các thông tin sau Name Chứa tên của Reactor. Có thể sửa lại tên bất cứ lúc nào bằng cách nhắp đúp vào ô chứa tên và thay tên mới vào đó. Inlets Có thể có một hoặc nhiều dòng vào Reactor. Hoặc là chọn dòng đã được thiết lập trước từ danh sách kéo thả trong Edit Bar, hoặc chọn ô trống trong Inlets và nhập tên dòng mới vào Edit Bar. Vapour Oulet Kết nối dòng sản phẩm hơi với Reactor. Cũng như với dòng nguyên liệu, có thể chọn dòng ra từ danh sách kéo thả hoặc nhập tên dòng sản phẩm mới trong Edit Bar Liquid Oulet Kết nối dòng sản phẩm lỏng ra từ Reactor, cách làm cũng tương tự như trên. Energy (Optional) Kết nối hoặc tạo một dòng năng lượng nếu cần thiết cho thiết bị hoạt động. 4 Tối thiểu phải khai báo một dòng sản phẩm. 9.2.2 Parameters Page Parameter Page cho phép thiết lập các thông số Pressure Drop (độ giảm áp suất), Vessel Volume (thể tích thùng chứa), Duty (năng suất), Solving Behaviour (phương thức tính toán). 5 Chú ý rằng P feed được giả định bằng giá trị thấp nhất dòng nguyên liệu vào. Object Mô tả ∆P Độ giảm áp dọc theo thùng chứa, được xác định bằng biểu thức sau: ∆P = P - P v = P feed – P 1 Trong đó:▪ P : Áp suất trong thùng chứa ▪ P v : Áp suất dòng sản phẩm hơi ra ▪ P 1 : Áp suất dòng sản phẩm lỏng ra ▪ P feed : Áp suất dòng nguyên liệu vào ▪ ∆ P: Độ giảm áp trong thùng chứa (Delta P) Giá trị mặc định độ giảm áp suất tại thùng chứa là 0 Duty Nếu gắn một dòng năng lượng, phải xác định xem nó dùng để đun nóng hay làm lạnh để lựa chọn phím tương ứng trong Object Palette. cũng có thể chọn thuộc tính Duty hoặc HYSYS tính Duty. Phương trình cân bằng năng lượng của Reactor được xác định như sau: Duty = H vapour + H liquid – H feed Trong đó: Duty=nhiệt năng đun nóng hoặc làm lạnh H vapour Nhiệt của dòng sản phẩm hơi H liquid Nhiệt của dòng sản phẩm lỏng H feed Nhiệt của dòng nguyên liệu Heating / Cooling Nếu thay đổi từ Heating sang Cooling (hoặc ngược lại), độ lớn của dòng năng lượng không thay đổi nhưng thay đổi dấu dòng năng lượng. Heating là cộng, còn Cooling là trừ. Volume Do người sử dụng xác định, là tổng thể tích của thùng chứa. Giá trị này không cần thiết đối với các thiết bị phản ứng CONVERSION, GIBBS, EQUILIBRIUM trong mô phỏng tĩnh, nhưng phải thiết lập cho CSTR. Thể tích thùng chứa cùng với việc thiết lập mức chất lỏng trong thùng, xác định giá trị mức chất lỏng cần được duy trì trong thiết bị phản ứng. Giá trị thể tích chất lỏng hoặc mức chất lỏng cần được duy trì trong thùng chứa tại thời điểm bất kỳ được xác định bởi biểu thức sau: Holdup = Vessel Volume * PV(%Full)/100 Trong đó: PV(%Full) là mức chất lỏng trong thùng chứa. 6 Áp suất bình chứa được sử dụng trong tính toán phản ứng. Lưu ý rằng enthalpy sử dụng trong HYSYS là bằng enthalpy của khí lý tưởng được tạo thành ở 25 °C và 1 atm. Do đó nhiệt của phản ứng được tính toán từ sự khác nhau của enthalpy tạo thành của sản phẩm phản ứng và chất tham gia phản ứng. Thể tích bình chứa là một thông tin cần thiết của thiết bị trong mô phỏng tĩnh. Nó quyết định thời gian phản ứng. Object Description Liquid Level Hiển thị mức chất lỏng trong reactor được biểu diễn là tỷ lệ phần trăm của thể tích thùng chứa. Liquid Volume Không được đặt bởi người sử dụng, giá trị này được tính toán dựa vào thể tích thùng chứa và mức chất lỏng, khi giá trị thể tích thùng chứa đã được nhập vào. Act as a Separator When Cannot Solve Chỉ hiển thị với CONVERSION và EQUILIBRIUM Reactor, cho phép thiết bị hoạt động như một thiết bị tách 2 pha đơn giản khi reactor không giải quyết được Single Phase Chỉ định phản ứng chỉ gồm một pha. Nếu không, HYSYS sẽ coi đó là phản ứng lỏng-hơi. Type Chỉ hiển thị với Gibbs reactors. Cho phép lựa chọn loại thiết bị phù hợp với phản ứng:  Separator: áp dụng khi các chất phản ứng Gibbs tối thiểu có 2 pha .  Three Phase: áp dụng khi các chất phản ứng Gibbs tối thiểu có 3 pha. 7 9.3 CSTR / General Reactor Reactions Tab 9.3.1 Conversion Reactor Reactions Tab Conversion Reactor là một thùng chứa trong đó thực hiện phản ứng chuyển hóa. Trong Conversion Reactor chỉ có thể cài đặt Reaction Set. Phản ứng được cài đặt sẽ chuyển hóa hoàn toàn hoặc một phần chất phản ứng. Reactions Tab gồm hai page: Details và Results Details Page Trang Conversion Reaction chứa phần cài đặt phản ứng (Reaction Set). Reaction Set chỉ định hoạt động và độ chuyển hóa cho mỗi phản ứng. Trang này được chia làm 4 Objects: Object Description Reaction Set Giúp lựa chọn nhóm phản ứng chuyển hoá phù hợp Reaction Phải chọn phản ứng chuyển hoá phù hợp từ Reaction Set đã chọn View Reaction Mở xem các tham số của phản ứng vừa thiết lập, giúp sửa đổi những tham số cần thiết [Radio Buttons] Có ba phím chuyển đổi lẫn nhau: Stoichiometry, Basis và Conversion (sẽ được mô tả cụ thể sau đây) 8 Xem Section 4.4.2- Conversion Reaction của Simulation Basis guide để xem chỉ dẫn chi tiết về việc cài đặt phản ứng chuyển hóa. Conversion Reactor Stoichiometry Radio Button Stoichiometry hiển thị các tham số như thành phần cấu tử tham gia phản ứng đã chọn, khối lượng phân tử các cấu tử cũng như hệ số tỷ lượng của các cấu tử tham gia phản ứng. Ngoài ra còn có hai tham số nữa là: Balance Error và Reaction Heat của phản ứng này. Basis Radio Button Giao diện này chứa các tham số như: Base Component (cấu tử cơ bản), Conversion (độ chuyển hóa) và Reaction Phase cho mỗi phản ứng trong Reaction Set. Tại đây, có thể thay đổi độ chuyển hóa cục bộ cho phản ứng. Conversion Radio Button 9 Chú ý rằng trong Fractional Conversion Equation group, các ô hiện màu đỏ hoặc xanh chỉ ra rằng các biến có thể được thay đổi. Trong cửa sổ Fraction Conversion Equation hiển thị độ chuyển hóa của phản ứng. Các tham số về độ chuyển hóa được gắn cho phản ứng chuyển hoá và người dùng có thể thay đổi lại bằng cách chọn Use Default box hoặc nhập lại giá trị mới trong Fractional Conversion Equation. View Reaction Button Bấm phím View Reaction mở xem các tham số của phản ứng Conversion Reaction lựa chọn trong hộp kéo thả. Lưu ý rằng bất cứ sự thay đổi nào của phản ứng trên Conversion Reaction property view sẽ làm thay đổi toàn bộ phản ứng đã chọn và bất cứ Reaction Sets có chứa phản ứng đã chọn. Ví dụ, nếu làm thay đổi nào đó cho phản ứng trong hình trên, sự thay đổi sẽ được thực hiện tại bất cứ nơi nào có sử dụng phản ứng này. Vì vậy khi thay đổi những tham số của Reactor (tức là những thay đổi chỉ có tác dụng đối với một Reactor) thì nên thực hiện bên trong Reactions tab. Results Page Results Page hiển thị kết quả của phản ứng đã tính toán hội tụ. Trang này chứa Reactor Results Summary group gồm hai phím: Reaction Extents và Reaction Balance. Reaction Extents Radio Button 10 Có thể thay đổi độ chuyển hóa cho một phản ứng trong trang này. . dòng ra khỏi thiết bị phản ứng là đồng nhất như trong thiết bị phản ứng. Cho thể tích của thiết bị, tỉ lệ các thành phần thích hợp cho mỗi phản ứng và hệ. thụ trong phản ứng Khi có nhiều phản ứng trong Reaction Set, HYSYS sẽ tự động tính bậc các phản ứng. Một phản ứng có bậc thấp hơn sẽ ưu tiên phản ứng trước.