Chương này sẽ sử dụng case của chương trước (chương 9 Phản ứng chuyển hoá), có bổ sung thêm cấu tử, H2O.
Mở case đã lưu của chương 9: Conversion
Bấm vào biểu tượng Enter Basis Environment trên thanh công cụ để vào giao diện Simulation Basis Manager.
Trong Components tab, vào giao diện Component List-1 để thêm cấu tử.
Thêm cấu tử H2O vào danh sách, như mô tả trong hình 10.2.
Hình 10.2. Bổ sung cấu tử H2O
1. Thiết lập các phản ứng
Các phản ứng trong HYSYS được nhập vào theo cách tương tự như nhập cấu tử để thực hiện 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.
Hình 10.3. Thiết lập phản ứng
Bấm vào phím Add Rxn, chọn phản ứng Equilibrium từ danh sách hiển thị. Nhập các thông tin cần thiết như sau:
Hình 10.4. Nhập hệ số tỷ lượng cho phản ứng
2. Nhập Reaction Sets
Khi phản ứng này đã được khai báo đầy đủ các thông tin, có thể cài đặt cho thiết bị phản ứng cân bằng Equilibrium Reactor.
Trong Reaction tab, bấm vào phím Add Set. Đặt tên nhóm phản ứng này (Reaction Set) là WGS Rxn Set, và nhập phản ứng Rxn-3 vào. Các phản ứng được nhập vào bằng cách lựa chọn các phản ứng trong danh sách của nhóm Active List. Kết thúc sẽ có giao diện như mô tả trong hình dưới đây:
3. Liên kết Reaction Set vào Fluid Package
Sau khi thiết lập nhóm phản ứng (Reaction Set), cần phải đưa vào Fluid
Package để HYSYS có thể sử dụng trong tính toán.
Chọn Reaction Set và bấm phím Add to FP.
Chọn Fluid Package và bấm phím Add Set to Fluid Package.
Khi các phản ứng được cài đặt đã được liên kết vào Fluid Package, bấm
phím Return to the Simulation Environment để quay trở lại môi trường mô phỏng và bắt đầu xây dựng mô phỏng PFD. Lưu ý rằng phím Solver đã được bật (biểu tượng đ n xanh trên thanh công cụ).
4. Thiết lập dòng nguyên liệu
Thiết lập dòng vật chất với các thông tin sau:
Trong ô... Nhập thông tin…
Name Steam
Temperature 100oC
Pressure 2 bar
Molar Flow 100 kgmole/h
Component Mole Fraction
H2O 1.000 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
5. Thiết lập Equilibrium Reactor
Từ Object Palette, bấm vào vào biểu tượng General Reactor, trong số bốn loại thiết bị phản ứng xuất hiện: Gibbs, Equilibrium, Conversion và Yield, chọn Equilibrium Reactor và đưa vào PFD.
Đặt tên thiết bị là WGS Reactor và nối với hai dòng nguyên liệu là Ox_Vap
và Steam. Đặt tên dòng sản phẩm hơi là WGS_Vap, và mặc dù trong trường
Hình 10.6. Kết nối các dòng vào thiết bị phản ứng
Trong Details page của Reactions tab, chọn WGS Rxn Set đã cài đặt, các phản ứng sẽ tự động được kết nối với thiết bị phản ứng.
Hình 10.7. Reaction tab - Details page
Trong Composition page của Worksheet tab, phân tích thành phần của dòng
Lưu lượng mol của các cấu tử sau bằng bao nhiêu?
Methane: ____________ Nitrogen: ____________ Oxygen: _____________ CO: ________________ CO2: ________________ Hydrogen: ___________ Tính toán phần trăm của các cấu tử (so sánh với kết quả trong chương 9) CO giảm: __________________________
Hydrogen tăng: ____________________
6. In số liệu tính toán các dòng và thiết bị
Trong HYSYS có thể in bảng số liệu của các dòng, thiết bị và Workbook
Mở Workbook bằng cách bấm vào biểu tượng trên thanh công cụ. Hoặc bấm
vào phím Tools từ menu chính r i chọn Workbook (hoặc sử dụng phím nóng Ctrl+W ). Giao diện Workbook sẽ hiển thị như hình 10.8.
Hình 10.8. Giao diện Workbook
Trong giao diện chưa hiển thị thành phần phần mol của các cấu tử. Để bổ sung thêm biến vào Workbook trình tự thực hiện như sau. Giao diện
Workbook đang mở, trên thanh menu chính của giao diện Workbook chọn
Workbook, trong danh sách thả xuống chọn Setup, sẽ xuất hiện cửa sổ như trên hình 10.9.
Hình 10.9. Bổ sung thêm biến vào Workbook
Trong Variables group, bấm phím Add… sẽ hiển thị giao diện như hình 10.10.
Trong danh sách các biến Variable, chọn Master Comp Molar Flow và trong danh sách Variable Specifics, chọn Methane. Sau đó bấm phím OK.
Lặp lại như trên với tất cả các cấu tử còn lại. Khi kết thúc kiểm tra lại giao diện Workbook như hình 10.11.
Hình 10.11. Giao diện Workbook đã nhập thêm lưu lượng phần mol các cấu tử
Nhắp chuột phải vào đối tượng kiểm tra trên thanh công cụ Workbook.
Hình 10.12. Hiển thị Print Datasheet
Chọn Print Datasheet. Giao diện Select Datablock sẽ xuất hiện (hình 10.13).
Hình 10.13. Giao diện Select Datablock
Từ danh sách, có thể chọn in (Print) hoặc xem lại (Preview) bất kỳ bảng dữ liệu nào.
Có thể sửa đổi định dạng trang in, lựa chọn máy in, hoặc cách thức hiển thị của bảng số liệu trong trang in, bằng cách sử dụng các phím (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Format/Layout… hoặc phím Print Setup…
7. Lưu Case
Vào File menu.
Chọn Save As.
Khi hoàn thành mô phỏng, giao diện PFD như trong hình 10.14.
Hình 10.14. Giao diện PFD
10.3. Tóm tắt và ôn tập chƣơng 10
Ở đầu chương, bắt đầu với vấn đề phát triển mô hình chuyển hoá khí bằng hơi nước. Vai trò của phản ứng WGS là tăng hiệu suất hydro và giảm n ng độ CO
đáp ứng yêu cầu sử dụng trong pin nhiên liệu, tránh ngộ độc anot và giảm hiệu suất của pin nhiên liệu. Qua đó, hiểu thêm về các phản ứng cân bằng (Equilibrium
Reaction) và thiết lập phản ứng cân bằng, nhóm phản ứng và thiết bị phản ứng cân
Chƣơng 11
THIẾT BỊ PHẢN ỨNG KHUẤY LIÊN TỤC (CSTR)
Nội dung
Trong chương này, sẽ trình bày về quy trình sản xuất propylen glycol. Oxit propylen phản ứng với nước trong thiết bị phản ứng là thùng khuấy liên tục (CSTR).
Dòng nguyên liệu là oxit propylen và nước được trộn ở Mixer, dòng hỗn hợp ra là nguyên liệu cho phản ứng, với điều kiện áp suất khí quyển propylen glycol được tạo thành.
Mục tiêu
Sau khi học xong có thể:
Mô phỏng thiết bị phản ứng thùng có khuấy liên tục và các phản ứng trong HYSYS
Thiết lập được một Session Preference mới.
Yêu cầu
Trước khi học chương này người sử dụng cần phải biết:
Thực hiện các thay đổi trong PFD
Thêm các dòng trong PFD hoặc Workbook
11.1. Thiết lập một Session Preference mới
Khởi động HYSYS và tạo một case mới. Việc đầu tiên là thiết lập Session Preference.
Từ Tools trên thanh menu chính chọn Preference. Giao diện thuộc tính của
Session Preference sẽ xuất hiện như hình 11.1.
Hình 11.1. Giao diện thuộc tính của Session Preference
Trên Simulation tab, chọn Options page. Phải chắc chắn là không kích
hoạt Use Modal Property Views. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Chuyển sang Variables tab, chọn Units page, xuất hiện cửa sổ như hình
11.2.
11.2. Khởi tạo Hệ đơn vị đo mới
Công việc đầu tiên cần thực hiện khi xây dựng mô phỏng là phải chọn hệ đơn vi đo (Unit Set). HYSYS không cho phép thay đổi ba hệ đơn vị đo mặc định được liệt kê trong danh sách unit sets, tuy nhiên có thể tạo một unit set mới. Trong
chương này, sẽ tạo một unit set mới dựa trên hệ đơn vị Anh của HYSYS (Field set), sau đó hiệu chỉnh theo yêu cầu.
Trong danh sách Available Units Set, chọn Field (hình 11.2).
Tham số Liq.Vol.Flow có đơn vị mặc định là barrel/day; sẽ thay đổi đơn vị của Liq.Vol.Flow thành đơn vị USGPM.
Hình 11.2. Session Preference - Variables tab - Units page
Preference file có tên mặc định là HYSYS.prf. Khi thay đổi các thông số của Preferences, có thể lưu lại những thay đổi này trong file mới, bằng cách bấm vào phím Save Preference Set… ở bên trái phía dưới giao diện thuộc tính của
Session Preferences. HYSYS sẽ nhắc nhở khai báo tên cho Preference file
mới, để khi cần đến có thể mở lại file này cho case mô phỏng mới nào đó, bằng
cách bấm vào phím Load Preference Set… ở bên phải phía dưới giao diện thuộc tính của Session Preferences
Bấm vào phím Clone. Sẽ suất hiện một hệ đơn vị đo mới có tên là
NewUser trong danh sách Available Unit Sets.
Trong Unit Set Name, thay đổi tên thành Field-USGPM. Có thể thay đổi các đơn vị đo cho các biến khác trong hệ đơn vị của file mới này.
Tìm ô Liq.Vol.Flow. Bấm vào barrel/day ở ô bên cạnh (hình 11.3).
Để mở danh sách các đơn vị đo có thể, bấm vào m i tên đi xuống, hoặc bấm phím nóng F2 sau đó bấm vào phím m i tên đi xuống để di chuyển.
Hình 11.3. Tạo hệ đơn vị mới Field-USGPM
Hệ đơn vị mới đã được xác định. Đóng cửa sổ giao diện thuộc tính của
Session Preferences.
11.3. Thực hiện mô phỏng
1. Thiết lập cơ sở mô phỏng.
Nhập các thông tin sau:
Trong page… Lựa chọn…
Property Package UNIQUAC
Components Propylene Oxide, Propylene Glycol, H2O
2. Cung cấp hệ số tương tác bậc hai
Công việc tiếp theo sẽ thực hiện trong Fluid Package là cung cấp các hệ số
tương tác bậc hai.
Bấm vào Binary Coeffs tab trong cửa sổ thuộc tính Fluid Package như trong hình 11.4. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Trong nhóm Activity Model Interaction Parameters, có bảng các hệ số tương tác bậc hai mặc định Aij. HYSYS sẽ tự động đưa ra các hệ số tương tác cho các cặp hai cấu tử trong thành phần hỗn hợp từ thư viện. Có thể thay đổi các hệ số mà HYSYS cung cấp nếu người sử dụng có số liệu.
Trong trường hợp này, chưa biết hệ số tương tác của một cặp bậc hai là 12C3Oxide/12-C3diol. Trong trường hợp này, sẽ tự nhập số liệu nếu người sử dụng có số liệu, nếu không sẽ sử dụng theo phương pháp ước tính của HYSYS.
Hình 11.4. Cửa sổ hiển thị hệ số tương tác bậc hai Aij và Bij
Sử dụng phương pháp UNIFAC VLE để ước tính hệ số chưa biết.
Bấm vào phím Unknowns Only. HYSYS cung cấp giá trị các hệ số tương tác bậc hai chưa biết.
Khi hoàn thành bảng Activity Model Interaction Parameters với các giá trị hệ số Aij của các cặp đôi tương ứng sẽ hiển thị như hình 11.5 dưới đây
Chuyển sang bảng hệ số tương tác Bij, chọn phím Bij. Trong trường hợp này, tất cả các hệ số Bij được mặc định bằng 0.
3. Thiết lập phản ứng
Phản ứng giữa nước và propylene oxide tạo thành propylene glycol: H2O + C3H6O C3H8O2
Quay trở lại Simulation Basis Manager
Bấm vào Reactions tab. Trong tab này cho phép thiết lập các phản ứng
xảy ra trong lưu trình.
Trong Reactions group, bấm vào phím Add Rxn, sẽ xuất hiện cửa sổ các thuộc tính của phản ứng Reactions property.
Trong danh sách, chọn Kinetic Reaction, sau đó bấm vào phím Add Reaction. Giao diện thuộc tính của Kinetic Reaction xuất hiện, mở
Stoichiometry tab. Điền thông tin như hiển thị trong hình 11.6. dưới đây.
Hình 11.6. Kinetic Reaction – Stoichiometry tab
HYSYS sẽ cung cấp giá trị mặc định của các thông số bậc của phản ứng thuận Forward Order và bậc của phản ứng nghịch Reverse Order dựa trên hệ số tỷ lượng của phản ứng (reaction stoichiometry). Các dữ liệu động học của quá trình,
trong trường hợp này lượng nước dư, vì vậy phản ứng là bậc một với propylen oxit.
Trong ô Fwd Order theo H2O, thay đổi giá trị thành 0 biểu thị là dư nước. Hoàn thành Stoichiometry tab và được hiển thị như hình 11.7.
Hình 11.7. Kinetic Reaction – Stoichiometry tab
Trong giao diện Kinetic Reaction, chuyển sang Basis tab.
Trong ô Basis, giữ nguyên giá trị mặc định Molar Concn.
Vào ô Base Component. Theo mặc định, HYSYS đã chọn cấu tử đầu tiên được liệt kê trong danh sách trên Stoichiometry tab là cấu tử cơ bản. Trong
trường hợp này Propylene oxide là cấu tử cơ bản.
Trong ô Rxn Phase, chọn CombinedLiquid từ danh sách thả xuống. Hoàn thành Basis tab như trong hình 11.8.
sẽ có giá trị bằng 0
Chuyển sang Parameters tab. Trong giao diện này sẽ khai báo các thông số
Arrhenius parameters cho phản ứng động học. Trong trường hợp này, không xảy ra phản ứng nghịch (Reverse Reaction), vì vậy chỉ phải khai báo các thông số cho phản ứng thuận ở Forward Reaction parameters.
Trong Forward Reaction, ô A nhập giá trị 1.7e13.
Trong Forward Reaction, ô E (năng lượng hoạt hoá), nhập giá trị 3.24e4 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
(btu/lbmole). Trên thanh trạng thái ở phía dưới bên phải của giao diện
Kinetic Reaction sẽ thay đổi từ Not Ready thành Ready. Như vậy việc thiết lập phản ứng đã hoàn thành. Giao diện Parameters tab sẽ như hình 11.9.
Hình 11.9. Kinetic Reaction – Parameters tab
Bước tiếp theo là tạo Reaction Set chứa các phản ứng mới. Trong danh sách
các Reaction Set của HYSYS cung cấp Global Rxn Set bao g m tất cả các
phản ứng đã được xác định. Trong trường hợp này, chỉ có duy nhất một phản ứng, nhập Rxn-1 vào Global Rxn Set.
Bước cuối cùng là liên kết Reaction Set vào Fluid Package, để có thể thực hiện tính toán trong flowsheet. Thêm Reaction Set vào Fluid Package. Sau khi đã thêm phản ứng vào Fluid Package, bấm phím Enter the Simulation
Environment và bắt đầu xây dựng mô phỏng.
4. Khởi tạo hai dòng nguyên liệu
Name Prop Oxide
Temperature 75oF
Pressure 1.1 atm
Molar Flow 150 lbmole/h
Component Mole Fraction
12C3Oxide 1.000
Nhập thêm dòng nguyên liệu thứ hai
Name Water Feed
Temperature 75oF
Pressure 16.17 psi
Mass Flow 11,000 lb/h
Component Mole Fraction
H2O 1.000
5. Khởi tạo thiết bị trộn hỗn hợp
Mixer, sử dụng để trộn hai dòng nguyên liệu. Điền các thông tin như hình 11.10.
Hình 11.10. Kết nối các dòng với Mixer
6. Khởi tạo thiết bị phản ứng
Đặt tên thiết bị phản ứng là CSTR, nối với dòng nguyên liệu là Mix_Out. Dòng sản phẩm hơi là CSTR Vent, dòng sản phẩm lỏng là CSTR Product.
Hình 11.11. Kết nối các dòng với Reactor
Chuyển sang Details page của Reactions tab, chọn Global Rxn Set.
Nó sẽ tự động kết nối phản ứng cho tháp phản ứng. Vent và dòng lỏng sản phẩm là CSTR Product. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 11.12. Liên kết Reaction Set với Reactor
Bước tiếp theo là khai báo tham số cho thiết bị phản ứng Vessel Parameters. Trong trường hợp này thiết bị phản ứng có thể tích là 280 ft3 và độ điền đầy là 85%.
Chuyển sang Dynamics tab, sau đó chọn Specs page (hình 11.13).
Trong Liq Volume Percent, nhập giá trị 85.
Hình 11.13. Khai báo các tham số cho thiết bị phản ứng
Chuyển sang Worksheet tab (hình 11.14). Tại thời điểm này, dòng sản phẩm và dòng năng lượng làm mát chưa biết bởi vì thiết bị phản ứng chỉ có một bậc tự do. Lúc này có thể khai báo hoặc là nhiệt độ dòng ra hoặc là năng lượng làm lạnh.
Thiết bị phản ứng được giả thiết làm việc trong điều kiện đẳng nhiệt, do đó nhiệt độ dòng sản phẩm ra bằng nhiệt độ dòng nguyên liệu vào bằng 75oF. Trong cột
CSTR Product, nhập giá trị Temperature là 75oF, như trong hình 11.14.
Không có thay đổi pha trong thiết bị phản ứng Reactor ở điều kiện đẳng nhiệt, dòng sản phẩm hơi CSTR Vent bằng 0. Ngoài ra, yêu cầu năng lượng làm mát được tính toán biểu diễn qua Heat Flow của dòng tác nhân lạnh (Coolant stream).
Tiếp theo kiểm tra độ chuyển hoá trong thiết bị phản ứng phụ thuộc vào nhiệt độ phản ứng. Chuyển sang Reactions tab, sau đó chọn Results page. Độ chuyển hoá
sẽ hiển thị trong bảng Reactor Results Summary như hình 11.15.
Hình 11.15. Kết quả tính toán độ chuyển hoá của phản ứng
Với nhiệt độ phản ứng giả thiết là 75oF, độ chuyển hoá của phản ứng Actual Percent Conversion (Act.% Cn5.) trong thiết bị phản ứng là 40.3%. Cần phải điều chỉnh nhiệt độ sao cho độ chuyển hoá đạt 85 95%.
Điền các giá trị sau: