Giới thiệu tổng quan giáo trình thiết kế mô phỏng

Thiãút kãú mä phng 3/3 1 Giåïi thiãûu täøng quan 1.1 Mủc âêch, vai tr ca thiãút kãú mä phng • Thiãút kãú mä phng l quạ trçnh thiãút kãú våïi sỉû tråü giụp ca mạy tênh våïi cạc pháưn mãưm chun nghiãûp • Cạc tỉì khoạ thỉåìng âỉåüc sỉí dủng trong thiãút kãú mä phng l : - Simulation, process simulation : mä phng, quạ trçnh mä phng - Dynamic simulation : mä phng âäüng - Simulator : thiãút bë mä phng - Equation of state (EOS) : phỉång trçnh trảng thại - Steady-state simulation : mä phng trảng thại bãưn vỉỵng - To proceed by trial and error : Tiãún hnh bàòng cạch m máùm - Model : mä hçnh - Modelling : mä hçnh họa • Mä phng l mäüt cäng củ cho phẹp ngỉåìi k sỉ tiãún hnh cäng viãûc mäüt cạch hiãûu qu hån khi thiãút kãú mäüt quạ trçnh måï i hồûc phán têch, nghiãn cỉïu cạc úu täú nh hỉåíng dãún mäüt quạ trçnh âang hoảt âäüng trong thỉûc tãú. • Täúc âäü ca cäng củ mä phng cho phẹp kho sạt nhiãưu trỉåìng håüp hån trong cng thåìi gian våïi âäü chênh xạc cao hån nãúu so våïi tênh toạn bàòng tay. Hån nỉỵa, chụng ta cọ thãø tỉû âäüng họa quạ trçnh tênh toạn cạc så âäư cäng nghãû âãø trạnh viãûc phi thỉûc hiãûn cạc phẹp tênh làûp khäng cọ cå såí hồûc m máùm. Vê dủ, chụng ta cọ thãø sỉí dủng mäüt mä hçnh máùu âãø nghiãn cỉïu sỉû váûn hnh ca mäüt phán xỉåíng khi thay âäøi ngưn ngun liãûu hồûc cạc âiãưu kiãûn váûn hnh ca cạc thiãút bë nh hỉåíng âãún hiã ûu sút thu v cháút lỉåüng sn pháøm nhỉ thãú no ? Âiãưu ny s âån gin, nhanh chọng v tiãút kiãûm hån nhiãưu so våïi thỉí trãn phán xỉåíng thỉûc tãú. Vç ràòng cå såí tênh toạn cạc cäng củ mä phng thỉåìng dỉûa trãn cạc bäü cå såí dỉỵ liãûu chøn họa, nãn mäüt khi â xáy dỉûng mäüt mä hçnh håüp l thç báút k mäüt k sỉ no cng cọ thãø sỉí dủng nọ âãø tênh toạn v cho cạc kãút qu chênh xạc. • Thiãút kãú mä phng thỉåìng âỉåüc sỉí dủng âãø : - Thiãút kãú (Designing) mäüt quạ trçnh måïi - Thỉí lải, kiãøm tra lải (Retrofitting) cạc quạ trçnh âang täưn tải - Hiãûu chènh (Troubleshooting) cạ c quạ trçnh âang váûn hnh - Täúi ỉu họa (Optimizing) cạc quạ trçnh váûn hnh ThS. Lã Thë Nhỉ Âải Hc Bạch Khoa Thióỳt kóỳ mọ phoớng 4/4 óứ xỏy dổỷng mọỹt mọ hỗnh mọ phoớng hióỷu quaớ, chuùng ta phaới xaùc õởnh õuùng muỷc tióu. Bổồùc õỏửu tión trong bỏỳt cổù mọỹt quaù trỗnh mọ phoớng naỡo laỡ lổồỹng hoùa caùc muỷc tióu caỡng nhióửu caỡng tọỳt. Caùc kóỳt quaớ õaỷt õổồỹc thổồỡng phuỷ thuọỹc vaỡo caùc yóu cỏửu õỷt ra. Nhổ vỏỷy, trổồùc khi mọ phoớng mọỹt quaù trỗnh nón õỷt ra caùc cỏu hoới sau : - Muỷc õờch sổớ duỷng cọng cuỷ mọ phoớng trong trổồỡng hồỹp naỡy õóứ laỡm gỗ ? - Quaù trỗnh mọ phoớng seợ thổỷc hióỷn nhổợng vióỷc gỗ ? - Sổỷ phổùc taỷp coù cỏửn thióỳt khọng ? - Cỏửn thióỳt phaới tỗm ra caùc kóỳt quaớ naỡo tổỡ quaù trỗnh mọ phoớng ? Cỏửn nhồù rũng caùc giaù trở thu õổồỹc tổỡ kóỳt quaớ mọ phoớng phuỷ thuọỹc rỏỳt nhióửu vaỡo nhổợng lổỷa choỹn ban õỏửu maỡ chuùng ta õaợ nhỏỷp vaỡo. 1.2 Caùc phỏửn móửm mọ phoớng trong cọng nghóỷ hoùa hoỹc Trong cọng nghóỷ hoùa hoỹc, ngổồỡi ta sổớ duỷng rỏỳt nhióửu caùc phỏửn móửm mọ phoớng : - DESIGN II (WINSIM) : sổớ duỷng trong cọng nghióỷp hoùa hoỹc noùi chung - PRO/II (SIMSCI) : sổớ duỷng trong cọng nghióỷp hoùa hoỹc, cọng nghióỷp loỹc - hoùa dỏửu - PROSIM : sổớ duỷng trong cọng nghióỷp hoùa hoỹc - HYSIM (HYSYS) : sổớ duỷng trong cọng nghióỷp chóỳ bióỳn khờ Trong caùc phỏửn móửm kóứ trón, phỏửn móửm PRO/II laỡ phỏửn móửm nọứi tióỳng nhỏỳt, õổồỹc sổớ duỷng rọỹng raợi nhỏỳt trong nhióửu lộnh vổỷc cọng nghióỷp. 2 Phỏửn móửm PRO/II 2.1 Lộnh vổỷc sổớ duỷng Phỏửn móửm PRO/II laỡ phỏửn móửm tờnh toaùn chuyón duỷng trong caùc lộnh vổỷc cọng nghóỷ hoùa hoỹc noùi chung, õỷc bióỷt trong lộnh vổỷc loỹc dỏửu, hoùa dỏửu, polymer, hoùa dổồỹc, . ỏy laỡ phỏửn móửm tờnh toaùn rỏỳt chờnh xaùc caùc quaù trỗnh chổng cỏỳt. Laỡ saớn phỏứm cuớa SIMSCI, hỗnh thaỡnh tổỡ nm 1967 vaỡ õổồỹc chờnh thổùc sổớ duỷng vaỡo nm 1988 sau nhióửu lỏửn õổồỹc caới tióỳn. Hióỷn nay, chuùng ta õang sổớ duỷng phión baớn PRO/II 7.0 PRO/II vỏỷn haỡnh theo caùc modul lión tióỳp, mọựi thióỳt bở õổồỹc tờnh rióng leợ vaỡ lỏửn lổồỹt tờnh cho tổỡng thióỳt bở. PRO/II bao gọửm caùc nguọửn dổợ lióỷu phong phuù : thổ vióỷn caùc cỏỳu tổớ hoùa hoỹc, caùc phổồng phaùp xaùc õởnh caùc tờnh chỏỳt nhióỷt õọỹng, caùc kyợ xaớ o vỏỷn haỡnh caùc thióỳt bở hióỷn õaỷi õóứ cung cỏỳp cho caùc kyợ sổ cọng nghóỷ caùc kyợ nng õóứ bióứu dióựn tỏỳt caớ caùc ThS. Ló Thở Nhổ Yẽ aỷi Hoỹc Baùch Khoa Thiãút kãú mä phng 5/5 tênh toạn cán bàòng váût cháút v nàng lỉåüng cáưn thiãút khi mä phng cạc trảng thại dỉìng ca cạc så âäư cäng nghãû. • Pháưn mãưm PRO/II âỉåüc sỉí dủng theo nhàòm 2 mủc âêch : - Thiãút kãú mäüt phán xỉåíng måïi (Sizing) - Mä phng mäüt phán xỉåíng â âỉåüc xáy dỉûng trong thỉûc tãú âãø nghiãn cỉïu cạc úu täú nh hỉåíng âãún sỉû váûn hnh ca nọ (Rating) nhỉ : thay âäøi ngưn ngun liãûu, âiãưu kiãûn váûn hnh hồûc tiãu chøn k thût ca sn pháøm, . 2.2 Quạ trçnh mä phng bàòng pháưn mãưm PRO/II • Trỉåïc khi tiãún hnh mä phng, chụng ta phi diãùn âảt cạc dỉỵ liãûu tỉì så âäư thỉûc tãú thnh mä hçnh mä phng. Quạ trçnh ny bao gäưm cạc bỉåïc sau : - Xạc âënh hãû âån vë âo : cọ 3 hãû âån vë âo : hãû Anh, hãû Mẹt v hãû SI. Tu trỉåìng håüp, chụng ta chn hãû âån vë âo cho thêch håüp, thäng thỉåìng chn hãû Mẹt; - Xạc âënh thnh pháưn cáúu tỉí cọ trong hãû : âỉåüc chn tỉì ngưn dỉỵ liãûu phong phụ cạc cáúu tỉí ca PROII; - Lỉûa chn cạc phỉång trçnh nhiãût âäüng thêch håüp : trãn cå såí thnh pháưn họa hc ca ngun liãûu v âiãưu kiãûn váûn hnh ca thiãút bë ; - Lỉûa chn cạc dng ngun liãûu v sn pháøm : xạc âënh th nh pháưn, trảng thại nhiãût ca cạc dng; - Xạc âënh cạc dỉỵ liãûu vãư thiãút bë v âiãưu kiãûn váûn hnh cho cạc thiãút bë. • Hån nỉỵa, trong nhiãưu trỉåìng håüp chụng ta phi thay âäøi så âäư cäng nghãû thỉûc tãú sang mủc âêch mä phng. Màûc d cọ sỉû tỉång ỉïng giỉỵa så âäư cäng nghãû thỉûc tãú v så âäư mä phng nhỉng váùn cọ nhỉỵng sỉû khạc biãût cáưn chụ . • Vç cäng củ mä phng chè mä t trảng thại dỉìng nãn trong så âäư mä phng khäng nãn bäú trê cạc thiãút bë âiãưu khiãøn, kiãøm tra 3 Cạc khại niãûm cå bn vãư chỉng cáút 3.1 Thiãút bë ngỉng tủ âènh thạp PRO/II màûc âënh Condenser âỉåüc xem l mäüt báûc thay âäøi näưng âäü (mäüt âéa l thuút) v cọ 4 dảng Condenser : • Partial : Lng åí âéa 2 âỉåüc lm lảnh v chè ngỉng tủ mäüt pháưn. Loải Condenser ny thỉûc sỉû l mäüt báûc thay âäøi näưng âäü. Nhiãût âäü trong Condenser chênh l nhiãût âäü âiãøm sỉång ca häùn håüp håi cán bàòng Gäưm 2 loải : ThS. Lã Thë Nhỉ Âải Hc Bạch Khoa Thióỳt kóỳ mọ phoớng 6/6 - loaỷi Distillat vapor : loớng ngổng tuỷ chố õóứ họửi lổu vóử õốnh thaùp, coỡn saớn phỏứm lỏỳy ra ồớ thóứ hồi õổồỹc goỹi laỡ Overhead. - Loaỷi Distillat mixe : loớng ngổng tuỷ mọỹt phỏửn õóứ họửi lổu vóử õốnh thaùp, coỡn laỷi lỏỳy ra laỡm saớn phỏứm saớn phỏứm õốnh gọửm 2 loaỷi laỡ saớn phỏứm hồi vaỡ saớn phỏứm loớng. Bubble Temperature : Loớng ồớ õộa 2 õổồỹc õổồỹc laỡm laỷnh õóỳn nhióỷt õọỹ õióứm sọi cuớa họựn hồỹp vaỡ ngổng tuỷ hoaỡn toaỡn, mọỹt phỏửn cho họửi lổu vóử õộa 2 ồớ õốnh thaùp, phỏửn coỡn laỷi lỏỳy ra daỷng saớn phỏứm loớng, õổồỹc goỹi laỡ Fixe Rate Draw. Nhióỷt õọỹ trong Condenser chờnh laỡ nhióỷt õọỹ õióứm sọi cuớa họựn hồỹp loớng cỏn bũng - Subcooled, Fixe Temperature : Loớng ồớ õộa 2 õổồỹc õổồỹc laỡm laỷnh dổồùi nhióỷt õọỹ õióứm sọi cuớa họựn hồỹp loớng. Loớng naỡy goỹi laỡ loớng quaù laỷnh. - Subcooled, Fixe Temperature Drop : Loaỷi Condenser naỡy cuợng giọỳng nhổ loaỷi trón nhổng õọỹ quaù laỷnh cuớa họựn hồỹp loớng õổồỹc xaùc õởnh bồới mọỹt giaù trở naỡo õoù. Loớng Loớng Hồi Hồi a- Daỷng Partial Distillate vapor Distillate mixe b- Daỷng Bubble 3.2 Thióỳt bở õun sọi õaùy thaùp PRO/II mỷc õởnh Reboiler õổồỹc xem laỡ mọỹt bỏỷc thay õọứi nọửng õọỹ vaỡ coù 3 daỷng Reboiler : - Daỷng Kettle : õổồỹc mỷc õởnh (qui chuỏứn) - Thermosiphon without baffles - Thermosiphon with baffles ThS. Ló Thở Nhổ Yẽ aỷi Hoỹc Baùch Khoa Thióỳt kóỳ mọ phoớng 7/7 ThS. Ló Thở Nhổ Yẽ aỷi Hoỹc Baùch Khoa Thióỳt kóỳ mọ phoớng 8/8 210 300 ? ? ? ? 50 4 Lyù thuyóỳt nhióỷt õọỹng hoỹc Caùc tờnh chỏỳt nhióỷt õọỹng laỡ cồ sồớ dổợ lióỷu quan troỹng nhỏỳt cho vióỷc tờnh toaùn quaù trỗnh phỏn taùch toaỡn hóỷ thọỳng. Coù nhióửu phổồng phaùp tờnh toaùn caùc tờnh chỏỳt naỡy, trong õoù, quan troỹng nhỏỳt laỡ 2 phổồng phaùp : - Phổồng phaùp tổồng quan : API vaỡ Rackett - Phổồng phaùp phổồng trỗnh traỷng thaùi : phổồng trỗnh bỏỷc ba tọứng quaùt, cọng thổùc Alpha, caùc qui luỏỷt họựn hồỹp, phổồng trỗnh SRK, phổồng trỗnh PR, phổồng trỗnh SRKP, SRKM, SRKS, . Phổồng phaùp API vaỡ Rackett tờnh toaùn khaù chờnh xaùc tố troỹng cuớa pha loớng, coỡn caùc tờnh chỏỳt nhióỷt õọỹng khaùc nhổ : enthalpie, entropie loớng vaỡ hồi, tố troỹng pha hồi, . thỗ õổồỹc tờnh toaùn rỏỳt chờnh xaùc bũng caùc phổồng trỗnh traỷng thaùi nhổ : SRK, SRKM, . 4.1 Phổồng phaùp phổồng trỗnh traỷng thaùi Phổồng phaùp tờnh cỏn bũng pha naỡy coù thóứ aùp duỷng trong mọỹt khoaớng rọỹng nhióỷt õọỹ vaỡ aùp suỏỳt. Ngoaỡi ra, coỡn õóứ tờnh toaùn caùc tờnh chỏỳt nhióỷt õọỹng nhổ Enthalpie vaỡ Entropie. Traỷng thaùi tham khaớo cho caớ hai pha loớng-hồi laỡ khờ lyù tổồớng, caùc chónh lóỷch ThS. Ló Thở Nhổ Yẽ aỷi Hoỹc Baùch Khoa Thióỳt kóỳ mọ phoớng 9/9 cuớa hóỷ thổỷc so vồùi hóỷ lyù tổồớng õổồỹc xaùc õởnh bũng caùch tờnh hóỷ sọỳ hoaỷt aùp cho caớ hai pha. Cuỷ thóứ õọỳi vồùi caùc phổồng trỗnh traỷng thaùi bỏỷc ba, caùc õióửu kióỷn tồùi haỷn vaỡ quaù tồùi haỷn õổồỹc tờnh toaùn khaù chờnh xaùc. Bũng caùch sổớ duỷng mọỹt haỡm theo nhióỷt õọỹ bióứu dióựn lổỷc hỏỳp dỏựn giổợa caùc phỏn tổớ, haỡm thóứ tờch, quy luỏỷt họựn hồỹp, caùc phổồng trỗnh traỷng thaùi bỏỷc ba õaợ õổồỹc vỏỷn duỷng khaù thaỡnh cọng õóứ tờnh cỏn bũng loớng - hồi caùc hóỷ phi lyù tổồớng lồùn. 4.1.1 Phổồng trỗnh bỏỷc ba tọứng quaùt Phổồng trỗnh gọửm 2 tham sọỳ a vaỡ b õổồỹc bióứu dióựn dổồùi daỷng sau : ( ) 22 wbubvv Ta bv RT P ++ = Trong õoù : P : aùp suỏỳt T : nhióỷt õọỹ tuyóỷt õọỳi v : thóứ tờch mol u, w : hũng sọỳ, daỷng sọỳ nguyón Caùc giaù trở cuớa u vaỡ w seợ xaùc õởnh daỷng cuớa phổồng trỗnh traỷng thaùi bỏỷc ba nhổ baớng dổồùi õỏy : u w Phổồng trỗnh traỷng thaùi 0 1 2 0 0 -1 Van der Waals (vdW) Redlich-Kwrong (RK) Peng-Robinson (PR) 4.1.2 Phổồng trỗnh Soave-Redlich-Kwong óỳn nm 1972, õóứ caới thióỷn tờnh chờnh xaùc khi tờnh aùp suỏỳt hồi cuớa cỏỳu tổớ tinh khióỳt vaỡ tờnh cỏn bũng loớng - hồi cuớa hóỷ õa cỏỳu tổớ, Soave õaợ xaùc õởnh : () ()( ) c TaTTa .= () ( ) [] 2 21 r T1M1T / += 2 17605741480M += ,,, Trong õoù : a (T) : hóỷ sọỳ phuỷ thuọỹc vaỡo nhióỷt õọỹ ThS. Ló Thở Nhổ Yẽ aỷi Hoỹc Baùch Khoa Thiãút kãú mä phng 10/10 α (T) : hm phủ thüc vo nhiãût âäü, âàûc trỉng cho lỉûc háưp dáùn giỉỵa cạc phán tỉí T c : nhiãût âäü tåïi hản Acentricsäú hàòng: gn rụt âäü nhiãût : ω = c r T T T 5 Lỉûa chn mä hçnh nhiãût âäüng 5.1 Cå såí lỉûa chn • Lỉûa chn mä hçnh nhiãût âäüng thêch håüp cho mäüt ỉïng dủng củ thãø âọng mäüt vai tr ráút quan trng, nh hỉåíng låïn âãún âäü chênh xạc ca kãút qu mä phng • Mäùi phỉång phạp nhiãût âäüng cho phẹp tênh cạc thäng säú sau : - Hàòng säú cán bàòng pha K : thãø hiãûn sỉû phán bäú cáúu tỉí giỉỵa cạc pha åí âiãưu kiãûn cán bàòng - Enthapie ca cạc pha lng v pha håi : xạc âënh nàng lỉåüng cáưn thiãút âãø chuøn mäüt hãû tỉì trảng thại nhiãût âäüng ny sang trảng thại khạc - Enthapie ca cạc pha lng v pha håi : nhàòm phủc vủ viãûc tênh toạn cạc mạy nẹn, thiãút bë gin nåí v nàng lỉåüng tỉû do täúi thiãøu åí cạ c thiãút bë phn ỉïng - Tè trng ca pha lng v pha håi : âãø tênh toạn quạ trçnh truưn nhiãût, tråí lỉûc v xạc âënh kêch thỉåïc thạp chỉng cáút • Âãø lỉûa chn mä hçnh nhiãût âäüng thêch håüp, nãn dỉûa vo cạc úu täú sau : - Bn cháút ca cạc âàûc trỉng nhiãût âäüng ca hãû nhỉ : Hàòng säú cán bàòng lng- håi (VLE : Vapor Liquid Equilibrium) ca cạc quạ trçnh chỉng cáút, cä âàûc hồûc bäúc håi, quạ trçnh trêch ly, . - Thnh pháưn ca häùn håüp - Phảm vi nhiãût âäü v ạp sút - Tênh sàón cọ ca cạc thäng säú hoảt âäüng ca cạc thiãút bë • Củ thãø, ta cọ thãø dỉûa vo så âäư sau : ThS. Lã Thë Nhỉ Âải Hc Bạch Khoa Thióỳt kóỳ mọ phoớng 11/11 ThS. Ló Thở Nhổ Yẽ aỷi Hoỹc Baùch Khoa Thióỳt kóỳ mọ phoớng 12/12 ThS. Ló Thở Nhổ Yẽ aỷi Hoỹc Baùch Khoa . lióỷu quan troỹng nhỏỳt cho vióỷc tờnh toaùn quaù trỗnh phỏn taùch toaỡn hóỷ thọỳng. Coù nhióửu phổồng phaùp tờnh toaùn caùc tờnh chỏỳt naỡy, trong õoù, quan. Thiãút kãú mä phng 3/3 1 Giåïi thiãûu täøng quan 1.1 Mủc âêch, vai tr ca thiãút kãú mä phng • Thiãút kãú mä phng l quạ trçnh