Thiết kế mô phỏng chưng cất (hệ thống chưng cất thí nghiệm)

ðại Học Quốc Gia Tp.Hồ Chí Minh TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN HỮU TRUNG THIẾT KẾ MÔ PHỎNG CHƯNG CẤT (HỆ THỐNG CHƯNG CẤT THÍ NGHIỆM) Chun ngành: CƠNG NGHỆ HOÁ HỌC Mã số ngành : 02.10.00 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2006 CƠNG TRÌNH ðƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA ðẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ ñược bảo vệ HỘI ðỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG ðÀO TẠO SAU ðẠI HỌC ðỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC Tp.HCM, ngày 03 tháng 01 năm 2006 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN HỮU TRUNG Ngày, tháng, năm sinh: 24/09/1980 Nơi sinh: AN GIANG Chun ngành: Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ CƠNG NGHỆ HÓA HỌC MSHV: 00503152 I TÊN ðỀ TÀI : Thiết kế mô hệ thống chưng cất (hệ thống chưng cất phịng thí nghiệm) II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Tổng quan hệ thống mô hệ thống - Thiết kế phần mềm mô cho hệ thống chưng cất thiết bị hệ thống - Khảo sát thông số thực nghiệm kiểm tra tương thích q trình mơ - Ứng dụng phần mềm mô vào việc khảo sát tốn thí nghiệm thiết kế hệ thống III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 01/ 2006 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 12/2006 V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS.TRỊNH VĂN DŨNG CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM NGÀNH BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀNH Nội dung ñề cương luận văn thạc sĩ ñã ñược Hội ðồng Chuyên Ngành thông qua Ngày 15 tháng 01 năm 2006 PHÒNG ðÀO TẠO SAU ðH KHOA QUẢN LÝ NGÀNH i LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Trịnh Văn Dũng tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tơi nhiều suốt q trình tơi thực luận văn Tơi xin cảm ơn thầy, hội đồng bảo vệ luận văn nghiên cứu có góp ý quý báu cho nội dung luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn thầy, cô môn Máy thiết bị bạn ñồng nghiệp, ñặc biệt bạn Trần Hồi ðức, Hồ Tấn Thành,… nhiệt tình giúp đỡ, hỗ trợ tơi thực luận văn Và cuối tơi xin cảm ơn gia đình tất người thân u bên tơi ln ñiểm tựa vững cho tôi, chia sẻ, ñộng viên, giúp tơi hồn thành luận văn Nguyễn Hữu Trung ii TĨM TẮT LUẬN VĂN Mơ đóng vai trị ngày quan trọng ngành công nghiệp đại, đặc biệt ngành cơng nghệ hóa học, thực phẩm Nó góp phần tằng nắng suất lao động, hiệu suất làm việc giảm chí phí đầu tư, vận hành,… Mô hệ thống chưng cất (hệ thống chưng cất phịng thí nghiệm) nhằm mục đích đại hóa q trình làm việc hệ thống thiết bĩ bản, từ làm định hướng cho phát triển nhiều hệ thống thực tế khác Quá trình thiết kế phần mềm mơ chưng cất tiến hành bao gồm: thiết kế mơ hoạt hình dựa vào tương tác hình ảnh động, thiết kế mơ tính tốn q trìng cơng nghệ dựa vào phương trình cân pha, cân vật chất, cân lượng Phần mềm mô chưng cầt thiết kế ngơn ngữ lập trình Matlab sở phương pháp mô nhân – cho thiết bị hệ thống cho toàn hệ thống Hơn nữa, đề tài cịn có q trình kiểm tra tương thích số liệu mơ thực nghiệm, từ tiến hành áp dụng phần mềm mơ vào q trình khảo sát tính tốn tốn cơng nghệ cụ thể trình chưng cất iii ABSTRACT Simulation is important in the most of modern industrys, especially the chemical industry anh the food of industry It contributed to increase labour productivity, performance of production and to decrease investment expenditures,… Simulation of distillation (lab of distillation) purpose to modernize working of basic system of equidment, something orients to increase for different systems To design a simulative software for distillation include: the aminated simulations are designed with the moving of image, th calculating simulation are designed with phase equilibrium, enery equations, component equations The simulative solfware for distillation is described by Matlab's programming language, is referred the method of sequential, causal simulation for the particular equidments in system and whole system Moreover, the exoerimental and simulative data are examined compatibly together, so simulative solfware is used to survey and calculate the concrete problem of distillation iv MỤC LỤC MỤC LỤC MỤC LỤC BẢNG vii MỤC LỤC HÌNH viii BẢNG KÝ HIỆU SỬ DỤNG x ðẶT VẤN ðỀ Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG .5 1.1 HỆ THỐNG VÀ KHẢO SÁT HỆ THỐNG 1.1.1 Khái niệm hệ thống 1.1.2 Khảo sát hệ thống 1.2 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 1.2.1 Khái niệm 1.2.2 Vai trị mơ 1.2.3 Phân loại 1.2.4 Ứng dụng 10 1.3 PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN MƠ PHỎNG HỆ THỐNG CƠNG NGHIỆP TRÊN MÁY TÍNH .12 1.3.1 Các tiêu ñánh giá .12 1.3.2 Sử dụng phần mềm cơng cụ mơ hoạt hình chun dụng 13 1.3.3 Sử dụng phần mềm mô hình hố mơ chun dụng 15 1.3.4 Sử dụng cơng cụ phầm mềm tính tốn kỹ thuật .17 1.3.5 Sử dụng ngôn ngữ lập trình đa thơng thường .19 1.3.6 Nhận xét lựa chọn phần mềm mô 20 Chương 2: THIẾT KẾ MƠ PHỎNG HỆ THỐNG CHƯNG CẤT THÍ NGHIỆM 22 2.1 HỆ THỐNG CHƯNG CẤT THÍ NGHIỆM 22 v 2.1.1 Mục ñích thí nghiệm .22 2.1.2 Hệ thống thiết bị hóa chất 22 2.1.3 Phương pháp thí nghiệm 23 2.2 THIẾT KẾ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 25 2.2.1 Thiết kế mơ hoạt hình 25 2.2.2 Mơ tính tốn q trình chưng cất 30 2.2.3 Thiết nhận, xử lý liệu từ hệ thống kết nối ño ñạc 65 Chương 3: ðÁNH GIÁ KẾT QUẢ Q TRÌNH MƠ PHỎNG 67 3.1 SỐ LIỆU THỰC NGHIỆM 67 3.2 KẾT QUẢ TÍNH TỐN MƠ PHỎNG 69 3.3 ðÁNH GIÁ SỰ TƯƠNG THÍCH 71 3.3.1 Các tiêu chuẩn ñánh giá tương thích số liệu mơ thực nghiệm .71 3.3.2 So sánh kết thực nghiệm mô 71 Chương 4: ỨNG DỤNG MƠ PHỎNG TRONG KHẢO SÁT VÀ TÍNH TỐN QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT 74 4.1 BÀI TỐN THÍ NGHIỆM CHƯNG CẤT 74 4.1.1 Mục tiêu 74 4.1.2 Khảo sát ảnh hưởng số hồi lưu 74 4.1.3 Khảo sát ảnh hưởng trạng thái nhập liệu .82 4.2 BÀI TOÁN THIẾT KẾ 88 4.2.1 Mục tiêu toán 88 4.2.2 ðặt toán .88 4.2.3 Tiến hành toán 89 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 96 TÀI LIỆU THAM KHẢO 98 vi Phụ lục 1: CHƯƠNG TRÌNH VÀ HÀM TÍNH TỐN HỆ THỐNG CHƯNG CẤT 100 vii MỤC LỤC BẢNG Bảng 1.1: ðánh giá phương pháp sử dụng phần mềm mô hoạt hình 14 Bảng 1.2: ðánh giá phương pháp sử dụng ngơn ngữ mơ hình hóa mơ chun dụng 16 Bảng 1.3: ðánh giá phương pháp sử dụng cơng cụ phần mềm tính tốn kỹ thuật 18 Bảng 1.4: ðánh giá phương pháp sử dụng ngôn ngữ lập trình đa thơng thường .19 Bảng 2.1: Trạng thái nhập liệu 60 Bảng 2.2: Phân tích số biến số tính tốn 62 Bảng 2.3: Phân tích số phương trình quan hệ biến số tính tốn 63 Bảng 3.1: Các thơng số cài đặt cho hệ thống 68 Bảng 3.2: Số liệu thực nghiệm ño ñạc ban ñầu 68 Bảng 3.3: Kết tính tốn từ phần mềm mơ .69 Bảng 3.4: Bảng so sánh kết thực nghiệm mô .72 Bảng 4.1: Số liệu mô thay đổi số hồi lưu vị trí mâm nhập liệu 75 Bảng 4.2: Kết xử lý số liệu với vị trí mâm nhập liệu 76 Bảng 4.3: Kết xử lý số liệu với vị trí mâm nhập liệu 77 Bảng 4.4: Kết xử lý số liệu với vị trí mâm nhập liệu 78 Bảng 4.5: Số liệu mô thay ñổi trạng thái nhập liệu 83 Bảng 4.6: Kết xử lý số liệu với mâm nhập liệu m=2 83 Bảng 4.7: Kết xử lý số liệu với mâm nhập liệu m=3 84 Bảng 4.8: Kết xử lý số liệu với mâm nhập liệu m=4 85 Bảng 4.9: Kết chuyển đổi đơn vị tính cân vât chất .90 Bảng 4.10: Kết quan hệ số hồi lưu số bậc thay ñổi nồng ñộ 94 Bảng 4.11: Kết quan hệ nhiệt ñộ nhập liệu số bậc thay ñổi nồng ñộ 81 107 C_C_etanol_G(2)=1.4577e+5; C_C_etanol_G(3)=1.6628e+3; C_C_etanol_G(4)=0.9390e+5; C_C_etanol_G(5)=744.7; Pc_etanol=6.12e+6; Tc_etanol=513.92; Vc_etanol=0.168;%m3/kmol M_etanol=46.069; 11 Tập tin Du_lieu_Metanol.m function [C_P_metanol,C_V_metanol,C_H_metanol,C_C_metanol_L,C_C_metanol_G,Tc_metanol,Vc_met anol,Pc_metanol,M_metanol]=Du_lieu_Metanol() CAS_metanol=67561; C_P_metanol(1)=81.768; C_P_metanol(2)=-6876; C_P_metanol(3)=-8.7078; C_P_metanol(4)=7.1926e-6; C_P_metanol(5)=2; C_V_metanol(1)=2.288; C_V_metanol(2)=0.2685; C_V_metanol(3)=512.64; C_V_metanol(4)=0.2453; C_H_metanol(1)=5.2390e+7; C_H_metanol(2)=0.3682; C_H_metanol(3)=0; C_H_metanol(4)=0; C_C_metanol_L(1)=1.0580e+5; C_C_metanol_L(2)=-3.6223e+2; C_C_metanol_L(3)=9.3790e-1; C_C_metanol_L(4)=0; C_C_metanol_L(5)=0; C_C_metanol_G(1)=0.3925e+5; C_C_metanol_G(2)=0.8790e+5; C_C_metanol_G(3)=1.9165e+3; C_C_metanol_G(4)=0.5365e+5; C_C_metanol_G(5)=896.7; Tc_metanol=512.94; Pc_metanol=8.14e+6; Vc_metanol=0.117; %m3/kmol M_metanol=32.042; 12 Tập tin Du_lieu_Nuoc.m function [C_P_nuoc,C_V_nuoc,C_H_nuoc,C_C_nuoc_L,C_C_nuoc_G,Tc_nuoc,Vc_nuoc,Pc_nuoc,M_nuoc] =Du_lieu_Nuoc() % Ap suat hoi cua chat long tinh khiet CAS_nuoc=7732185; C_P_nuoc(1)=73.649; C_P_nuoc(2)=-7258.2; C_P_nuoc(3)=-7.3037; C_P_nuoc(4)=4.1653e-6; C_P_nuoc(5)=2; C_V_nuoc(1)=5.459; C_V_nuoc(2)=0.30542; C_V_nuoc(3)=647.13; 108 C_V_nuoc(4)=0.081; C_H_nuoc(1)=5.2053e+7; C_H_nuoc(2)=0.3199; C_H_nuoc(3)=-0.212; C_H_nuoc(4)=0.25795; C_C_nuoc_L(1)=2.7627e+5; C_C_nuoc_L(2)=-2.0901e+3; C_C_nuoc_L(3)=8.1250; C_C_nuoc_L(4)=-1.4116e-2; C_C_nuoc_L(5)=9.3701e-6; C_C_nuoc_G(1)=0.3336e+5; C_C_nuoc_G(2)=0.2679e+5; C_C_nuoc_G(3)=2.6105e+3; C_C_nuoc_G(4)=0.0890e+5; C_C_nuoc_G(5)=1169; Pc_nuoc=2.1940e+7; Tc_nuoc=647.13; Vc_nuoc=0.056;%m3/kmol M_nuoc=18.015; 13 Tập tin Du_lieu_Toluen.m function [C_P_toluen,C_V_toluen,C_H_toluen,C_C_toluen_L,C_C_toluen_G,Tc_toluen,Vc_toluen,Pc_tolue n,M_toluen]=Du_lieu_Toluen() CAS_toluen=108883; C_P_toluen(1)=80.877; C_P_toluen(2)=-6902.4; C_P_toluen(3)=-8.7761; C_P_toluen(4)=5.8034e-6; C_P_toluen(5)=2; C_V_toluen(1)=0.8488; C_V_toluen(2)=0.26655; C_V_toluen(3)=591.8; C_V_toluen(4)=0.2878; C_H_toluen(1)=5.0144e+7; C_H_toluen(2)=0.3859; C_H_toluen(3)=0; C_H_toluen(4)=0; C_C_toluen_L(1)=1.4014e+5; C_C_toluen_L(2)=-1.5230e+2; C_C_toluen_L(3)=6.95e-1; C_C_toluen_L(4)=0; C_C_toluen_L(5)=0; C_C_toluen_G(1)=0.5814e+5; C_C_toluen_G(2)=2.8630e+5; C_C_toluen_G(3)=1.4406e+3; C_C_toluen_G(4)=1.8980e+5; C_C_toluen_G(5)=-650.43; Pc_toluen=4.10e+6; Tc_toluen=591.8; Vc_toluen=0.314; %m3/kmol M_toluen=92.141; 14 Tập tin Du_lieu_Fugat.m function f=Fugat(T,P); global Pc Tc 109 T1=T*9/5; %Rankin Tc1=Tc*9/5; %Rankin Tr=T1./Tc1; for i=1:2 Po1(i)=Po(i,T); %Pa Pt=P*1.450377e-4; %psia Po2(i)=Po1(i)*1.450377e-4; %psia Pc1(i)=Pc(i)*1.450377e-4; %psia V(i)=V_mol(i,T); V(i)=V(i)*1.601846e+1; %ft3/(lb.mol) A(i)=sqrt(0.4278/((Tr(i)^2.5)*Pc1(i))); B(i)=0.0867/(Tr(i)*Pc1(i)); Z(i)=tinh_Z(Po2(i),A(i),B(i)); R=10.73; lnv(i)=(Z(i)-1)-log(Z(i)-B(i)*Po2(i))-(A(i)^2/B(i))*log(1+(B(i)*Po2(i))/Z(i)); v(i)=exp(lnv(i)); f(i)=v(i)*Po2(i)*exp(V(i)*(Pt-Po2(i))/(R*T1));%(psi) end 15 Tập tin H2t.m function [t]=H2t(x,H) ts=x_tsoi(x); tn=y_tng(x); Hx=HLi(ts,x); Hy=Hg(tn,x); if H==Hx t=ts; elseif H==Hy t=tn; else if HHx)&(HHy tm=tn;tM=200; end tl=(tM+tm)/2; Hl=Entaphy(x,tl); k=1; while (abs(Hl-H)>1e+3)&(k