Sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống và vỏ (shell and tube Heat
Exchanger) để mô phỏng quá trình.
Khai báo các tham số dòng vào, dòng ra đã được nêu trong bài toán.
Tính lưu lượng khối lượng dòng lạnh.
Xác định cấu tử và phương trình trạng thái sử dụng trọng fluid package
Thiết lập dòng và thiết bị Heat Exchanger
1. Xác định cơ sở mô phỏng
Nhập các cấu tử và phương trình trạng thái như cho trong bảng sau
Giao diện Lựa chọn
Components page H2O
Property Package page Peng-Robinson
Bấm phím Enter Simulation Environment.
2. Thiết lập dòng vật chất
Thiết lập hai dòng vật chất với các thông số sau:
Trong ô… Nhập thông tin…
Name Tube in Shell in
Temperature 250oC 25oC
Pressure 1000 psi 130 psi
Mass Flow 100 kg/h <empty> Compositions H2O 100% H2O 100%
3. Thiết lập Heat Exchanger
Heat Exchanger thực hiện tính toán cân bằng vật chất và cân bằng năng
lượng, vì thế có thể tính toán với nhiệt độ, áp suất, dòng nhiệt (bao g m cả tổn thất và mất mát nhiệt), lưu lượng các dòng vật chất và hệ số trao đổi nhiệt UA.
Bấm vào biểu tượng Heat Exchanger trong Object Palette
Trong Connections page, nhập các thông tin như trong hình 7.1
Tương tự với Parameters page (điền các thông số như hình 7.2). Độ
giảm áp Delta P của Tube and Shell sides (ống và vỏ thiết bị) là 0 kPa.
Hình 7.2. Heat Exchanger – Design tab – Parameters page Hình 7.1. Heat Exchanger – Design tab – Connections page
Vào Worksheet tab, trong Conditions page, nhập các thông tin như hình
7.3. Nhiệt độ của Tube out và Shell out lần lượt là 190oC và 150oC.
Hãy cho biết lưu lượng khối lượng của dòng lạnh là bao nhiêu? _________
4. Lưu Case
Vào File menu.
Chọn Save As.
Đặt tên file là Heat Exchanger sau đó bấm phím OK.
7.3. Thảo luận
Tại điều kiện đã cho và lưu lượng dòng nóng là 100 kg/h, lưu lượng dòng lạnh qua thiết bị trao đổi nhiệt vào khoảng 55.21 kg/h.
7.4. Tóm tắt và ôn tập chƣơng 7
Trong chương này, yêu cầu sử dụng Heat Exchanger và tìm lưu lượng dòng lạnh đi qua thiết bị trao đổi nhiệt ở điều kiện đã cho.
7.5. Bài tập nâng cao
Nếu lưu lượng dòng lạnh là 100 kg/h, xác định lưu lượng dòng nóng. Nhiệt lượng trao đổi giữa hai dòng là bao nhiêu?
Chƣơng 8
THÁP TÁCH
Nội dung
Chương này giải quyết vấn đề tìm lưu lượng của dòng lỏng và dòng hơi qua tháp tách hai pha (Flash Separator). Trong mô phỏng tĩnh, Separator phân chia hỗn
hợp hai pha trong tháp thành pha lỏng và pha hơi. Hai pha lỏng và hơi được phân tách trong tháp sau khi đã đạt trạng thái cân bằng
Flash Separator thực hiện tính toán xác định các tham số sản phẩm và thành
phần pha. Áp suất của quá trình tách là áp suất thấp nhất của nguyên liệu trừ đi độ giảm áp qua tháp tách. Entanpy bao g m entanpy của dòng nguyên liệu và dòng
năng lượng (giá trị mang dấu cộng nếu được đun nóng, mang dấu trừ nếu được làm lạnh).
Separator có khả năng tính toán kết quả ngược lại. Ngoài việc áp dụng tính
toán theo tiêu chuẩn (dòng nguyên liệu vào tháp đã khai báo thông tin đầy đủ, được tách tại áp suất và entanpy của tháp tách), Separator còn có thể sử dụng thành phần
đã biết của một dòng sản phẩm để tính toán thành phần của dòng sản phẩm còn lại và dựa trên cân bằng vật chất của dòng nguyên liệu vào.
Mục tiêu
Sau khi học xong có thể:
Sử dụng thiết bị Flash Separator trong HYSYS để mô hình hoá quá trình
tách pha
Yêu cầu
Trước khi học chương này người sử dụng cần phải biết:
Cách khởi động HYSYS.
Lựa chọn cấu tử.
Xác định và chọn hệ nhiệt động (fluid package).
8.1. Bài toán
Dòng vật chất bao g m 15% etan, 20% propan, 60% i-butan, 5% n-butan ở
50oF và áp suất khí quyển, lưu lượng 100 lbmol/h. Nén dòng đến 50 psi sau đó làm lạnh đến 32oF. Sản phẩm là dòng hơi và dòng lỏng được tách ra. Tính lưu lượng và thành phần của hai dòng sản phẩm này.
8.2. Thực hiện mô phỏng quá trình tách pha
1. Xây dựng cơ sở mô phỏng
Nhập các cấu tử và phương trình trạng thái:
Trong giao diện … Lựa chọn…
Property Package page Peng-Robinson
Components page Ethane, propane, i-butane, n-butane
Bấm phím Enter Simulation Environment khi đã sẵn sàng thực hiện mô phỏng
2. Thiết lập dòng vật chất
Thiết lập dòng vật chất với các giá trị sau:
Trong ô… Nhập thông tin…
Name Gas
Temperature 50oF
Pressure 1 atm
Molar Flow 100 lbmole/h
Compositions Ethane-15%
Propane-20% i-butane-60% n-butane-5%
3. Thiết lập Compressor
Bấm vào biểu tượng Compressor trong Object Palette.
Hình 8.1. Compressor – Design tab - Connections page
Trong Worksheet tab, Conditions page, nhập các thông tin như hình 8.2. Áp
suất của dòng Comp Gas là 50 psi(344.7 kPa).
Hình 8.2. Compressor - Worksheet tab - Conditions page
4. Thiết lập Cooler
Trong Connections page, nhập các thông tin như trong hình 8.3.
Hình 8.3. Cooler -Design tab – Connections page
Chuyển sang Parameters page. Độ giảm áp là 0 psi như trong hình 8.4.
Hình 8.4. Cooler -Design tab – Parameters page
Chuyển sang Worksheet tab, Conditions page, nhập thông số như hình 8.5.
Hình 8.5. Cooler -Worksheet tab – Conditions page
5. Thiết lập Flash Separator
Bấm vào biểu tượng Separator trong Object Palette.
Trong Connections page, nhập các thông số như trong hình 8.6.
Chuyển sang Worksheet tab để xem kết quả (hình 8.7 và 8.8):
Hình 8.7. Separator – Worksheet tab – Conditions page
Hình 8.8. Separator – Worksheet tab – Composition page
6. Lưu Case
Vào File menu.
Chọn Save As
Đặt tên file là Flash sau đó bấm OK
Khi hoàn thành mô phỏng quá trình tách hai pha nhận được sơ đ PFD như trong hình 8.9.
Hình 8.9. Sơ đồ mô phỏng PFD
8.3. Tóm tắt và ôn tập chƣơng 8
Trong chương này, đã thực hiện tính toán lưu lượng của dòng lỏng và dòng hơi ra khỏi tháp tách khi biết lưu lượng dòng hai pha vào tháp. Dòng hơi và dòng lỏng trong tháp tách đạt trạng thái cân bằng trước khi được tách ra. Separator trong
HYSYS được sử dụng để mô phỏng quá trình tách hai pha lỏng và hơi.
8.4. Bài tập nâng cao
Nếu nhiệt độ dòng Cool Gas là 10oF, thì lưu lượng và thành phần của hai dòng là bao nhiêu?
Stream: Top Bottom
Flowrate: _________________ _______________ Composition: Ethane: ___________ _______________ Propane: __________ _______________ i-Butane: __________ _______________ n-Butane: __________ ______________ Gas
Chƣơng 9
PHẢN ỨNG CHUYỂN HOÁ
Nội dung
Chương này giải quyết vấn đề phát triển mô hình sản xuất khí hydro từ metan bằng phản ứng oxi hoá. Phương pháp oxi hoá không hoàn toàn dựa trên phản ứng của metan với không khí để sản xuất oxit cacbon và khí hydro. Trong chương này sẽ hướng d n cách thêm các phản ứng chuyển hoá (conversion) và cài đặt nhóm các phản ứng vào thiết bị phản ứng trong HYSYS.
Loại phản ứng chuyển hoá không yêu cầu các kiến thức về nhiệt động học. Việc phải làm là nhập hệ số tỷ lượng phản ứng và độ chuyển hoá của chất phản ứng cơ bản (trong trường hợp này là metan). Độ chuyển hoá luôn luôn dưới 100%. Phản ứng tiến hành cho đến khi đạt giới hạn hoặc hết chất phản ứng.
Việc nhóm các phản ứng khác loại với nhau là không thể thực hiện, tuy nhiên, có thể nhóm các phản ứng Conversion lại thành một nhóm và phân loại các
phản ứng (phản ứng nối tiếp hay song song). Phản ứng có bậc thấp nhất sẽ xảy ra đầu tiên (có thể bắt đầu hoặc là 0 hoặc 1). C ng như các phản ứng đơn lẻ, tổng độ chuyển hoá cấu tử cơ bản trong nhóm các phản ứng không được quá 100%.
Các phản ứng Conversion không được sử dụng trong các thiết bị phản ứng
đẩy lý tưởng (PFR) hoặc khuấy lý tưởng (CSTR). Nói chung, các phản ứng
Conversion chỉ được thực hiện trong thiết bị phản ứng Conversion Reactor.
Mục tiêu
Sau khi học xong có thể:
Mô phỏng thiết bị và phản ứng chuyển hoá trong HYSYS.
Thiết lập các phản ứng và nhóm phản ứng (Reaction Set).
Gắn Reaction Set đã cài đặt với hệ nhiệt động Fluid Package. Yêu cầu
Trước khi học chương này người sử dụng cần phải biết:
Điều chỉnh PFD
Thêm các dòng trong PFD hoặc Workbook
9.1. Bài toán
Công nghệ sản xuất khí hydro từ hydrocacbon đã có những bước phát triển đáng kể trong thập kỷ qua. Hiệu quả của công nghệ sản xuất hydro có liên quan trực tiếp đến các thiết bị chuyển hoá năng lượng như pin nhiên liệu (fuel cell). Sự chuyển hoá nhiên liệu thành hydro được thực hiện bằng quá trình oxi hoá không hoàn toàn. Phương pháp này dựa vào phản ứng của nhiên liệu ví dụ như metan với không khí để tạo ra oxit cacbon và hydro.
CH4 + 1/2 O2 CO + 2H2 CH4 + O2 CO2 + 2H2
Phát triển mô hình đại diện cho quá trình oxi hoá không hoàn toàn metan để sản xuất hydro.
9.2. Xác định cơ sở mô phỏng
Bước đầu tiên để mô phỏng quá trình sản xuất hydro là chọn phương trình trạng thái thích hợp. Nhập các thông tin như sau:
Trong ô … Lựa chọn …
Property Package page Peng-Robinson
Components page CH4, O2, N2, CO, CO2, H2
Bấm phím Enter Simulation Environment khi đã sẵn sàng thực hiện mô phỏng.
1. Thiết lập các phản ứng
Các phản ứng trong HYSYS được khởi tạo theo cách tương tự như thêm các cấu tử khi bắt đầu xây dựng cơ sở mô phỏng.
Bấm vào Reaction tab trong Simulation Basis Manager. Lưu ý rằng tất cả các cấu tử được hiển thị trong danh sách Rxn Components.
Bấm phím Add Rxn, chọn phản ứng Conversion từ danh sách. Nhập các thông tin sau:
Hình 9.2. Giao diện Conversion Reaction Rxn-1 – Stoichiometry tab
Chuyển sang Basis tab và nhập các thông tin như sau:
Hình 9.3. Giao diện Conversion Reaction Rxn-1 – Basis tab
Hình 9.4. Giao diện Conversion ReactionRxn-2 – Stoichiometry tab
Tương tự ở Basis tab, nhập các thông tin sau:
Hình 9.5. Giao diện Conversion ReactionRxn-2 – Basis tab
2. Thiết lập nhóm các phản ứng
Khi hai phản ứng này đã được khai báo đầy đủ các thông tin, cần phải thiết lập Reaction Set cho thiết bị phản ứng chuyển hoá Conversion Reactor.
V n đang ở Reaction tab (như hình 9.1), bấm phím Add Set. Đặt tên cụm phản ứng là Oxidation Rxn Set, và nhập hai phản ứng Rxn-1, Rxn-2 vào. Các phản ứng được nhập bằng cách chọn các phản ứng cần thiết từ danh sách thả xuống trong
Hình 9.6. Giao diện tạo Oxidation Rxn Set
3. Thiết lập các phản ứng nối tiếp
Các phản ứng chuyển hoá có thể được nhóm lại và phân loại phản ứng (nối tiếp hoặc song song). Phản ứng nào được xếp hạng thấp nhất sẽ xảy ra đầu tiên (có thể bắt đầu hoặc là 0 hoặc 1).
Để thiết lập cho các phản ứng xảy ra nối tiếp, trong Oxidation Rxn Set (hình 9.6), bấm vào phím Ranking… và nhập các thông tin như trong hình 9.7 dưới đây.
Hình 9.7. Thiết lập cho các phản ứng nối tiếp
4. Liên kết nhóm phản ứng vào Fluid Package
Sau khi thiết lập nhóm phản ứng (Reaction Set), cần phải nhập vào hệ nhiệt động đã lựa chọn trong HYSYS để sử dụng.
Chọn Reaction Set và bấm phím Add to FP.
Nếu cần, có thể save Fluid Package k m theo các phản ứng đã gắn vào. Như vậy có thể mở lại FP này ở bất kỳ bài toán mô phỏng nào khác trong HYSYS khi FP này phù hợp.
Khi các phản ứng cài đặt đã được gắn vào Fluid Package, có thể vào môi trường mô phỏng và bắt đầu xây dựng PFD.
5. Thiết lập các dòng vật chất
Thiết lập dòng vật chất thứ nhất với các thông tin cho trong bảng sau.
Trong ô.. Nhập thông tin …
Name Methane
Temperature 25oC
Pressure 2 bar
Molar Flow 100 kgmole/h
Component Mole Fraction
C1 1.000
Tương tự với dòng thứ hai.
Trong ô … Nhập thông tin …
Name Air
Temperature 25oC
Pressure 2 bar
Molar Flow 260 kgmole/h
Component Mole Fraction
N2 0.79
O2 0.21
6. Thiết lập thiết bị phản ứng chuyển hoá
Từ Object Palette, bấm vào biểu tượng General Reactor, chọn
Conversion Reactor và đưa vào PFD.
Đặt tên thiết bị là Oxidation Reactor và nối với hai dòng nguyên liệu đã thiết lập ở trên là Methane và Air. Đặt tên dòng sản phẩm hơi là Ox_Vap, mặc dù trong trường hợp này không có sản phẩm lỏng nhưng v n phải đặt tên là Ox_Liq.
Hình 9.8. Oxidation Reactor – Design tab – Connections page
Trong Details page của Reaction tab, chọn nhóm phản ứng Oxidation Rxn Set đã cài đặt, các phản ứng sẽ tự động được kết nối với thiết bị phản ứng.
Hình 9.9. Oxidation Reactor – Reactions tab – Details page
Chuyển sang Composition page của Worksheet tab, phân tích thành phần
Lưu lượng mol của các cấu tử bằng bao nhiêu?
Methane: _____________ Nitrogen: ________________ Oxygen: ______________ CO: _____________________ CO2: _________________ Hydrogen: ________________
7. Lưu Case
Vào File menu.
Chọn Save As.
Đặt tên file là Conversion sau đó bấm phím OK.
Hình 9.10. Hoàn thành PFD
9.3. Tóm tắt và ôn tập chƣơng 9
Trong chương này đã giới thiệu mô hình sản xuất hydro từ metan bằng phương pháp oxi hoá không hoàn toàn. Phương pháp này dựa trên những phản ứng của metan với không khí để tạo ra cacbon oxit và hydro. Qua đó học được cách thao tác thiết lập các phản ứng chuyển hoá (Conversion) và nhóm các phản ứng (Reactions
Chƣơng 10
PHẢN ỨNG CÂN BẰNG
Nội dung
Trong chương này sẽ giải quyết vấn đề phát triển mô hình đại diện cho phản ứng chuyển hoá khí (Water Gas Shift – WGS). Vai trò của phản ứng WGS là tăng
hiệu suất H2 và giảm n ng độ CO đáp ứng yêu cầu của pin nhiên liệu, không gây ngộ độc anot và giảm hiệu suất sử dụng của pin. Trong chương này sẽ hướng d n cách thiết lập các phản ứng cân bằng (Equilibrium) và nhóm phản ứng (Reaction
Set) trong HYSYS.
Equilibrium Reactor là thiết bị mô phỏng trong đó thực hiện các phản ứng
cân bằng (equilibrium reaction). Dòng ra khỏi thiết bị đạt trạng thái cân bằng hoá học và vật lý. Reaction Set được gắn cho Equilibrium Reactor bao g m không giới
hạn các phản ứng cân bằng, được diễn ra song song hoặc nối tiếp. Không có các cấu tử và quá trình lý tưởng, HYSYS có thể tính toán hoạt tính hoá học của mỗi cấu tử trong hỗn hợp phản ứng dựa trên fugat của các cấu tử đơn chất và hỗn hợp.
Có thể kiểm tra độ chuyển hoá thực tế, thành phần cấu tử cơ bản, hằng số cân bằng và bậc phản ứng đối với từng phản ứng được cài đặt trong Reaction Set. Độ
chuyển hoá, hằng số cân bằng và các thông số tính toán khác, tất cả được tính toán dựa trên những thông tin được cung cấp khi thiết lập Reaction Set.
Mục tiêu
Sau khi học xong có thể:
Mô phỏng thiết bị và phản ứng cân bằng trong HYSYS Nhập thêm phản ứng hoặc nhóm phản ứng.
Liên kết phản ứng với hệ nhiệt động FP.
In các thông tin của dòng và dữ liệu Workbook.
Yêu cầu
Trước khi học chương này người sử dụng cần phải biết: Thực hiện điều chỉnh PFD
Thêm các dòng trong PFD hoặc Workbook Khởi tạo và nối các dòng vào thiết bị trong PFD
10.1. Bài toán
Một ứng dụng mới của hydro để sản xuất pin nhiên liệu cho động cơ (PEM
fuel cell). Pin nhiên liệu đòi hỏi n ng độ CO thấp hơn 10 20 ppm, để tránh gây ngộ độc anot và làm giảm đột ngột hiệu suất nhiên liệu. Các pin nhiên liệu (fuel cell)