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.
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
(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.
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:
Reactor Temperature: ________________________________ Actual Percent Conversion: ____________________________
7. Lưu case vào thư mục xác định
Vào File menu.
Chọn Save As.
Đặt tên file là CSTR sau đó bấm phím OK.
Hình 11.16. PFD công nghệ sản xuất propylen glycol từ propylen oxit và nước
11.4. Tóm tắt và ôn tập chƣơng 11
Trong chương này đã thực hiện xây dựng lưu trình PFD để mô phỏng công nghệ sản xuất propylen glycol. Propylen oxit phản ứng với nước tạo thành propylen glycol trong thiết bị phản ứng loại thùng có khuấy liên tục (CSTR).
Propylen oxit và nước được trộn trong Mixer. Hỗn hợp sau khi trộn được đưa vào thiết bị phản ứng khuấy liên tục, trong điều kiện áp suất khí quyển propylen glycol được tạo thành.
Chƣơng 12
THÁP HẤP THỤ
Nội dung
Trong chương này giới thiệu cách sử dụng HYSYS để mô phỏng quá trình hấp thụ khí liên tục trong tháp đệm. Thiết bị hấp thụ mặc định trong HYSYS là loại tháp đĩa (Tray Section), có dòng sản phẩm hơi từ đỉnh tháp, và dòng sản phẩm lỏng từ đáy tháp. Không có sẵn các thông số cho tháp hấp thụ, mà dựa trên cấu hình chung của tháp. Điều kiện và thành phần của dòng nguyên liệu, c ng như áp suất làm việc sẽ xác định sự hội tụ của tháp. Khi tính toán tháp hội tụ, kết quả nhận được bao g m điều kiện và thành phần của các dòng sản phẩm hơi và sản phẩm lỏng.
Mục tiêu
Sau khi học xong người sử dụng có thể:
Sử dụng thiết bị hấp thụ trong HYSYS để mô phỏng quá trình hấp thụ
Xác định được các thông số thiết kế tháp hấp thụ
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
12.1. Bài toán
Propylen carbonat hấp thụ CO2 trong tháp đệm. Dòng khí nguyên liệu có 20% mol CO2 và 80% mol metan. Lưu lượng dòng là 2 m3/s và điều kiện làm việc của tháp là 60o
C và 60,1 atm. Lưu lượng dòng dung môi là 2000 kmol/h. Sử dụng HYSYS để xác định hàm lượng CO2 (% mol) trong dòng khí ra, chiều cao tháp (m) và đường kính tháp (m).
12.2. Thực hiện mô phỏng quá trình hấp thụ
1. Xây dựng cơ sở mô phỏng
Nhập các thông tin sau trong giao diện Simulation Basis Manager
Trong cửa sổ của tab… Chọn…
Property Package Sour PR Components CH4, CO2, Propylene Carbonate
Bấm phím Enter Simulation Environment để mô phỏng.
2. Thiết lập các dòng nguyên liệu
Thiết lập dòng dung môi với các thông tin sau.
Trong ô này.... Nhập thông tin...
Name Solvent In
Temperature 60oC
Pressure 60.1 atm
Molar Flow 2000 kgmole/h
Component Mole Fraction
CO2 0.000
Methane 0.000
C3=Carbonate 1.000
Thiết lập dòng khí nguyên liệu với các thông tin sau.
Trong ô này... Nhập thông tin...
Name Gases In
Temperature 60oC
Molar Flow 7200 m3/h Component Mole Fraction
CO2 0.200
Methane 0.800
C3 = Carbonate 0.000
3. Thiết lập tháp hấp thụ
Bấm vào biểu tượng Absorber trên Object Palette, như hình bên
Vào Connection page, nhập các thông tin sau. Giao diện như hình 12.1.
Trong ô này... Nhập thông tin...
Name Absorber
Top Stage Inlet Solvent In Bottom Stage Inlet Gases In Ovhd Vapour Outlet Gases Out Bottom Liquid Outlet Liquid Out
Bấm vào phím Next, và tiếp tục nhập các thông tin như trong hình 12.2.
Bấm vào phím Next, và tiếp tục nhập các thông tin như trong hình 12.3.
Sau đó bấm vào phím Done... sẽ xuất hiện cửa sổ như hình 12.4.
Hình 12.2. Giao diện Absorber – Connections page (2 of 3)
Để thực hiện tính toán, bấm vào phím Run ở phía dưới cửa sổ. Hộp trạng thái màu đỏ với chữ Unconverged sẽ chuyển sang màu xanh với chữ Converged nếu toàn bộ quá trình thực hiện chính xác như hướng d n ở trên. Tuy nhiên kết quả tính toán nhận được là cho tháp hấp thụ loại tháp đĩa, cần phải chuyển sang tháp đệm.
Trình tự thao tác để chuyển từ tháp đĩa sang tháp đệm như sau:
Bấm vào Tools trên thanh menu chính, chọn Utilities.
Trong cửa sổ Available Utilities di chuyển xuống dưới và chọn Tray Sizing
như trong hình 12.5.
Hình 12.4. Giao diện Absorber – Connections page đã hoàn thành
Bấm phím Add Utility sẽ xuất hiện cửa sổ Tray Sizing như hình 12.6. Đặt tên trong ô Name là Packing.
Bấm vào phím Select TS... ở phía trên bên phải cửa sổ Tray Sizing, sẽ xuất hiện cửa sổ Select Tray Section như hình 12.7. Bấm phím chọn All trong
Object Filter, lựa chọn Absorber trong Flowsheet, sau đó chọn TS-1 trong
Object, sau đó bấm phím OK.
Hình 12.6. Cửa sổ Tray Sizing
Trở về cửa sổ Select
Tray Section. Bấm
phím Auto Section..., sẽ xuất hiện cửa sổ
Auto Section Information, trong nhóm Internal Type chọn Packed, trong hộp Packing Type có danh sách các loại đệm được thả xuống, cuộn xuống để chọn loại đệm Raschig Rings (Ceramic) 1_4 inch như hình 12.8.
Sau khi lựa chọn xong, bấm phím Next>, hiển thị cửa sổ như trong hình 12.9, bấm phím
Complete AutoSection.
Hình 12.8. cửa sổ Auto Section Information
Sau khi bấm phím Complex AutoSection, sẽ xuất hiện cửa sổ Tray Sizing. Đóng cửa sổ này lại và trở về giao diện PFD.
Nhắp đúp vào Absorber để mở giao diện thuộc tính của tháp, bấm vào phím
Run để chạy chương trình mô phỏng tính toán lại với tháp đệm.
4. Các thông số thiết kế tháp
Trên thanh menu chính, bấm vào Tools, trong danh sách chọn Utilities.
Cửa sổ Available Utilities sẽ xuất hiện, di chuyển xuống dưới danh sách để chọn Packing và bấm vào phím View Utility….
Trong cửa sổ mới hiển thị, bấm phím Auto Section… và thay đổi trong nhóm Internal Type chọn Packed. Không cần phải chọn lại loại đệm nữa.
Bấm phím Next> và sau đó bấm phím Complete AutoSection, sẽ xuất hiện cửa sổ Tray Sizing như hình 12.10.
Bây giờ mở Performance tab, chọn Packed.
Trong Results page, có thể đọc giá trị đường kính và chiều cao của tháp.
Đóng cửa sổ này lại để trở về giao diện PFD, nhắp đúp vào dòng Gases Out
và đọc hàm lượng CO2 trong dòng khí ra. Ghi các kết quả tính toán nhận được vào bảng.
Section Diameter (m)___________________________ Section Height (m)_____________________________ CO2 composition______________________________
5. Lưu vào thư mục xác định
Vào File
Chọn Save as
Đặt tên file là Absorber,sau đó bấm phím OK
Hoàn thành mô phỏng nhận được lưu trình PFD như trong hình 12.11.
Hình 12.11. PFD quá trình hấp thụ CO2 bằng propylen carbonat
12.3. Tóm tắt và ôn tập chƣơng 12
Trong phần đầu chương này đã bắt đầu mô phỏng quá trình hấp thụ CO2 bằng propylene carbonate trong tháp hấp thụ loại tháp đệm, sử dụng công cụ Absorber
trong HYSYS để mô phỏng quá trình hấp thụ.
Trong phần cuối chương này, đã sử dụng HYSYS để xác định n ng độ CO2 còn lại trong dòng khí sản phẩm ra khỏi tháp hấp thụ, chiều cao tháp (m) và đường kính tháp (m).
Hình 12.12. Tháp hấp thụ (sub-flowsheet)
12.4. Bài tập nâng cao
Tăng lưu lượng dòng dung môi Solvent In từ 2000 kmol/h lên 2500 kmol/h. Chạy lại chương trình mô phỏng, xem kết quả có gì thay đổi, điền kết quả mới nhận được vào bảng sau:
Section Diameter (m)___________________________ Section Height (m)_____________________________ CO2 composition______________________________
Chƣơng 13
THÁP CHƢNG LUYỆN
Nội dung
Thu h i pha lỏng từ khí tự nhiên (Natural-Gas Liquids NGL) là quá trình xử lý hỗn hợp khí tự nhiên khá phổ biến. Mục đích của quá trình tách pha lỏng là:
Không còn các hydrocacbon nặng là các cấu tử thường bị ngưng tụ trong đường ống, đảm bảo vận chuyển khí an toàn bằng đường ống.
Đáp ứng các tiêu chuẩn của khí thương phẩm.
Thu h i tối đa sản phẩm lỏng (sản phẩm lỏng có giá trị cao hơn khí)
HYSYS có thể mô hình hoá nhiều cấu hình tháp chưng luyện khác nhau. Trong chương này sẽ sử dụng ba tháp để mô phỏng nhà máy NGL:
Tháp tách metan sử dụng tháp có đun sôi đáy tháp (Reboiled Absorber).
Tháp tách etan sử dụng tháp chưng luyện có h i lưu đỉnh ngưng tụ một phần và đun sôi đáy tháp (Distillation Column).
Tháp tách propan sử dụng tháp chưng luyện có h i lưu đỉnh ngưng tụ hoàn toàn và đun sôi đáy tháp (Distillation Column).
Mục tiêu
Sau khi học xong có thể:
Thiết lập tháp chưng sử dụng Input Experts.
Khai báo các tham số cho tháp chưng luyện.
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
Sơ đồ công nghệ PFD H ình 13 .1 . S ơ đồ m ô ph ỏn g công nghệ N G L tr on g HY S Y S
Tháp tách metan DC1