Thực hiện mô phỏng quá trình

 Mở new case.

 Chọn Peng – Robinson EOS.

 Nhập các cấu tử: N2, CO2, C1 – C8.

1. Thiết lập các dòng vật chất

Thiết lập hai dòng vật liệu theo các thông tin trong bảng sau:

In this cell… Enter…

Trong ô này… Nhập thông tin… Nhập thông tin…

Name Feed1 Feed2

Temperature 95oC (140oF) 85oC (120oF) Pressure 2275 kPa (330 psia) 2290 kPa (332 psia)

Flowrate 1620 kgmole/h (3575 lbmole/hr) 215 kgmole/h (475 lbmole/hr) Component Mole Fraction Mole Fraction

N2 0.0025 0.0057 CO2 0.0048 0.0029 C1 0.7041 0.7227 C2 0.1921 0.1176 C3 0.0706 0.0750 i-C4 0.0112 0.0204 n-C4 0.0085 0.0197 i-C5 0.0036 0.0147 n-C5 0.0020 0.0102 C6 0.0003 0.0037 C7 0.0002 0.0047 C8 0.0001 0.0027 2. Thiết lập tháp tách metan

Tháp tách metan được mô phỏng bằng thiết bị Reboiler Absorber, với hai dòng nguyên liệu, một dòng năng lượng vào để gia nhiệt đáy tháp.

 Thiết lập dòng năng lượng theo các thông tin sau:

Trong ô này… Nhập thông tin…

Name Ex Duty

 Nhắp đúp vào biểu tượng Reboiled Absorber trong Object Palette

 Xuất hiện giao diện Input Expert đầu tiên. Nhập các thông tin như trong hình 13.5 dưới đây.

 Bấm phím Next> để chuyển sang trang tiếp theo. Nhập các thông tin áp suất như trong hình 13.6. Trong hệ đơn vị field, nhập giá trị áp suất đỉnh tháp là

330 psi và áp suất đáy tháp là 335 psi.

Hình 13.5. Giao diện Input Expert (1 of 4)

 Bấm phím Next> để chuyển sang trang tiếp theo. Nhập các giá trị nhiệt độ giả định như trong hình 13.7, trong hệ đơn vị field, nhập giá trị nhiệt độ

đỉnh tháp là -125oF, nhiệt độ reboiler là 80oF.

 Bấm phím Next> để chuyển sang trang tiếp theo. Trong trường hợp này không cần thêm thông tin trong trang cuối này, hình 13.8. Bấm phím

Done…

Hình 13.7. Giao diện Input Expert (3 of 4)

Sau khi bấm phím Done…, HYSYS sẽ mở đầy đủ giao diện thuộc tính của tháp. Mở Monitor page trong Design tab của giao diện Column DC1 như hình 13.9. Trước khi cho tính toán tháp, phải chắc chắn rằng đã khai báo đầy đủ các thông tin như hướng d n ở trên.

Từ Monitor page (hình 13.9) nhận thấy rằng để tháp có thể tính toán được

cần phải nhập thêm tham số lưu lượng sản phẩm đỉnh Ovhd Prod Rate là 1338

kgmole/h (2950 lbmole/hr). Sau khi đã nhập thêm tham số này, bấm phím Run để

bắt đầu tính toán tháp và quá trình sẽ hội tụ, như hình 13.10. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

Hình 13.9. Giao diện thuộc tính tháp – Design tab – Monitor page

Phần mol metan trong sản phẩm đỉnh là bao nhiêu?______________

Mặc dù tháp đã hội tụ, nhưng trong thực tế không phải lúc nào c ng có số liệu về lưu lượng dòng sản phẩm đỉnh. Tham số này có thể là kết quả tính toán của tháp, tháp có thể không hội tụ (Unconverged) hoặc dòng sản phẩm sẽ có những tính chất không đáp ứng yêu cầu nếu như thay đổi điều kiện dòng nguyên liệu vào tháp.

Có cách tiếp cận khác để khai báo thông tin cho tháp hoặc là thành phần cấu tử hoặc là thành phần các dòng sản phẩm của tháp.

 Mở Specs page của Design tab trong giao diện thuộc tính tháp như hình

13.11. Bấm vào phím Add trong nhóm Column Specifications.

 Cửa sổ Add Specs xuất hiện như hình 13.12. Chọn Column Component Fraction từ trong danh sách. Sau đó bấm phím Add Spec(s)… ở phía bên dưới cửa sổ.

Hình 13.12. Cửa sổ Add Specs

 Điền các tham số như trong hình 13.13. Sau đó đóng cửa sổ này lại.

Trong cửa sổ Monitor page của giao diện thuộc tính tháp, mặc dù vừa bổ

sung thêm tham số, nhưng bậc tự do (Degrees of Freedom) v n bằng 0. Điều đó cho thấy trên thực tế tham số thêm vào chưa được kích hoạt. Bây giờ tiến hành bỏ kích hoạt tham số Ovhd Prod Rate, và kích hoạt Com Fraction vừa được bổ sung, trong trường hợp này là C1 in Overhead như trong hình 13.14.

Hình 13.13. Cửa sổ Component Fraction Spec

Lưu lượng sản phẩm đỉnh tháp DC1 Ovhd bằng bao nhiêu?_____________

Khi tháp đã hội tụ, có thể xem kết quả tính toán trong Performance tab như hình 13.15.

3. Thiết lập bơm

Bơm được sử dụng để vận chuyển sản phẩm đáy tháp tách metan DC1 sang tháp tách etan DC2. Thiết lập bơm với các thông tin sau.

Trong ô này… Nhập thông tin…

Connections tab

Inlet DC1 Btm

Outlet DC2 Feed

Energy P-100-HP

Worksheet tab

DC2 Feed Pressure 2790 kPa (405 psi)

4. Thiết lập tháp chưng luyện tách etan DC2

Tháp chưng luyện tách etan được mô phỏng trong HYSYS bằng tháp chưng luyện có h i lưu đỉnh (condenser) và đun sôi đáy tháp (reboiler), tổng cộng có 16

đĩa, trong đó tháp có 14 đĩa và condenser và reboiler. Tháp làm việc ở áp suất 2760 kPa (400 psi). Trong sản phẩm đáy tỷ lệ etan/propan là 0.01.

 Nhắp đúp vào biểu tượng Distillation Column trên Object Palette.

 Nhập các thông tin sau:

Trong ô này… Nhập thông tin…

Connections (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

Name DC2

No. of Stages 14

Feed Stream/Stage DC2 Feed/6

Condenser Type Partial

Overhead Vapour Product DC2 Ovhd Overhead Liquid Product DC2 Dist

Bottom Product DC2 Btm

Reboiler Duty DC2 Reb Q

Condenser Duty DC2 Cond Q

Pressures

Condenser 2725 kPa (395 psia)

Condenser Delta P 35 kPa (5 psi)

Reboiler 2792 kPa (405 psia)

Temperature Estimates

Condenser -4oC (25oF)

Reboiler 95oC (200oF)

Specifications

Overhead Vapour Rate 320 kgmole/h (700 lbmole/hr) Distillate Rate 0 kgmole/h

Reflux Ratio 2.5 (Molar)

 Bấm phím Run để thực hiện tính toán.

Lưu lượng C2 và C3 trong sản phẩm đáy của DC2 bằng bao nhiêu?_____ Tỷ số C2/C3 bằng bao nhiêu?____________________________________

 Trên Specs page, bấm phím Add để bổ sung thêm tham số mới Column Component Ratio, sau đó nhập các thông tin như sau vào cửa sổ hiển thị.

Trong ô này… Nhập thông tin…

Name C2/C3

Stages Reboiler

Flow Basis Mole Fraction

Phase Liquid

Spec Value 0.01

Numerator Ethane

Denominator Propane

 Trên Monitor tab, không kích hoạt Ovhd Vap Rate và chuyển sang kích hoạt tham số C2/C3 mới được bổ sung. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

Lưu lượng sản phẩm đỉnh của tháp DC2 là bao nhiêu?_______________

5. Thiết lập van

Van được sử dụng để làm giảm áp suất dòng sản phẩm đáy của tháp tách etan

DC2 Btm trước khi đưa vào tháp tách propan cuối cùng.

Nhập các thông tin sau cho van:

Trong ô này… Nhập thông tin…

Connections

Feed Stream DC2 Btm

Product Stream DC3 Feed

Worksheet

DC3 Feed Pressure 1690 kPa (245 psi)

6. Thiết lập tháp chưng luyện tách propan

Tháp chưng luyện tách propan được mô phỏng trong HYSYS bằng tháp chưng luyện có 25 đĩa, trong đó tháp có 24 đĩa và Reboiler. Lưu ý rằng trong trường

bình trong tháp là 1620 kPa (235 psi). Tháp tách propan có hai sản phẩm. Sản phẩm đỉnh có chứa không quá 1.5% mol của i-C4 và n-C4. N ng độ propan trong sản phẩm đáy phải nhỏ hơn 2.0% mol.

Nhập các thông tin cho tháp chưng luyện tách propan như trong bảng sau. Khi hoàn thành, bấm phím Run để thực hiện tính toán tháp. Tháp hội tụ, đọc kết quả.

Trong ô này… Nhập thông tin….

Connections

Name DC3

No. of Stages 24

Feed Stream/Stage DC32 Feed/11

Condenser Type Total

Overhead Liquid Product DC3 Dist

Bottom Product DC3 Btm

Reboiler Duty DC3 Reb Q

Condenser Duty DC3 Cond Q

Pressures

Condenser 1585 kPa (230 psia)

Condenser Delta P 35 kPa (5 psi)

Reboiler 1655 kPa (240 psia)

Temperature Estimates (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

Condenser 38oC (100oF)

Reboiler 120oC (250oF)

Specifications

Distillate Rate 100 kgmole/h (240 lbmole/hr)

Reflux Ratio 1.0 (Molar)

Phần mol C3 trong sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy bằng bao nhiêu?_______

Trong ô này… Nhập thông tin...

i-C4 and n-C4 in Distillate

Name i-C4 and n-C4

Stages Condenser

Flow Basis Mole Fraction

Phase Liquid

Spec Value 0.015

Components i-C4 and n-C4

C3 in Reboiler

Name C3

Stages Reboiler

Flow Basis Mole Fraction

Phase Liquid

Spec Value 0.02

Components C3

 Bỏ kích hoạt Distillate Rate và Reflux Ratio.

 Kích hoạt các tham số i-C4 andn-C4 và C3 mới khởi tạo bổ sung.

7. Lưu vào thư mục xác định

 Vào File menu

 Chọn Save as

 Đặt tên file là Separation Column,sau đó bấm phím OK

13.2. Tóm tắt và ôn tập chƣơng 13

Trong phần chương này đã thực hiện mô phỏng quá trình chưng luyện để tăng thu h i sản phẩm lỏng từ khí tự nhiên (NGL). Đã sử dụng Absorber trong HYSYS, loại tháp chưng tách chỉ có Column và Reboiler để mô phỏng tháp tách

metan. Tháp chưng luyện tách etan được mô phỏng bằng Distillation Column, với (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

Condenser ngưng tụ một phần và Reboiler. Tháp chưng luyện tách propan được mô

Chƣơng 14 CÁC BÀI TẬP Nội dung

Trong chương này sẽ kiểm tra sự hiểu biết và khả năng sử dụng HYSYS để mô phỏng các quá trình công nghệ. HYSYS là một chương trình mô phỏng có quan hệ chặt chẽ với các quá trình công nghệ. Đây là một chương trình rất mạnh có thể sử dụng để giải quyết toàn bộ các vấn đề liên quan đến quá trình công nghệ. Tuy nhiên, khi cung cấp các điều kiện khác nhau và các lựa chọn để giải quyết vấn đề, nếu không hiểu biết về quá trình và các trình tự tiến hành mô phỏng sẽ không thể sử dụng HYSYS một cách có hiệu quả trong tính toán quá trình công nghệ.

Mục tiêu

Sau khi học xong người sử dụng có thể:

 Thao tác trên các giao diện của HYSYS và xây dựng lưu trình PFD từ mô tả trong tài liệu dạng văn bản.

 Nghiên cứu lựa chọn các phương án công nghệ trong quá trình mô phỏng.

 Đánh giá tác động của các hệ nhiệt động đã chọn đến kết quả mô phỏng.

 Rút ra một cách chọn lọc kết quả tính toán các tính chất vật lý từ HYSYS.

Yêu cầu

Trước khi thực hành các bài tập trong chương này, phải hoàn thành tất cả bài tập các chương trước.

14.1. Bài tập 1. Quá trình có thiết bị phản ứng và tháp tách pha

Toluen được sản xuất từ n-heptan bằng phản ứng dehydro hoá trên xúc tác

Cr2O3 theo phản ứng sau:

CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH3  C6H5CH3 + 4H2

Ban đầu n-heptan được gia nhiệt từ 65 lên 800oF trong thiết bị gia nhiệt. Sau đó được đưa vào tháp phản ứng có xúc tác vận hành trong điều kiện đẳng nhiệt và độ chuyển hoá 15% mol n-heptan thành toluen.

Sản phẩm ra khỏi thiết bị phản ứng được làm mát xuống 65oF và d n vào tháp tách pha. Toàn bộ dây chuyền công nghệ làm việc ở áp suất khí quyển, xác định lưu lượng của các dòng.

Trình tự mô phỏng

1. Khởi động HYSYS và mở File/New/Case

2. Giao diện Simulation Basis Manager xuất hiện. Mở Fluid Package tab.

Bấm phím Add. Chọn Peng-Robinson. Đóng cửa sổ.

3. Mở Component page và Add: toluene, n-heptane, và hydrogene. Đóng cửa sổ. 4. Bấm phím Enter Simulation Environment ở bên dưới giao diện Simulation

Basis Manager.

5. Bấm vào biểu tượng Heater trong Object Palette và sau đó bấm vào Process Flow Diagram (PFD). Bấm vào biểu tượng General Reactor, sẽ xuất hiện bốn loại Reactor khác nhau, chọn Conversion Reactor và bấm vào

PFD. Tương tự với Cooler và Separator.

6. Đặt tên các dòng vào và các dòng ra và các thiết bị của toàn bộ quá trình như trong hình 14.1.

7. Lưu ý rằng Reactor có màu đỏ với dòng thông báo “Need Reaction Set”.

Bấm vào Flowsheet trên thanh công cụ, chọn Reaction Package trong danh sách thả xuống. Add Global Rxn Set. Sau đó bấm Add Rxn và chọn

Conversion. Add components (n-heptane, toluene, hydrogen) và hệ số tỷ (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

lượng tương ứng (-1, 1, 4). Chuyển sang Basis tab và nhập giá trị 15 vào ô

Co (đây là độ chuyển hoá). Đóng cửa sổ, trở về màn hình PFD.

8. Nhắp đúp vào Reactor. Mở Reaction tab trong giao diện thuộc tính của

Reactor. Chọn Global Reaction Set vào ô Reaction Set. Đóng cửa sổ.

9. Mở Worksheet, nhập các điều kiện đã biết cho các dòng. Lưu ý rằng chữ và số có màu xanh là các giá trị được người sử dụng khai báo. Nếu cung cấp nhiều hơn tham số yêu cầu, thì sẽ xuất hiện thông báo lỗi.

14.2. Bài tập 2. Cải tiến quá trình của bài tập 1

Từ kết quả tính toán của bài tập 1 nhận thấy rằng nhiệt làm mát có giá trị tương đương nhiệt đun nóng. Như vậy có thể làm giảm năng lượng gia nhiệt dòng nguyên liệu đầu bằng cách tận dụng nhiệt của dòng sản phẩm. Tiến hành cải tiến quy trình bằng cách thêm thiết bị trao đổi nhiệt. Trình tự thực hiện trong PFD:

1. Bấm vào Heater trong PFD và thay đổi tên của dòng thành Pre-Heat. Đóng cửa sổ.

2. Bấm vào dòng R-Prod trong PFD. Worksheet dòng ra sẽ xuất hiện. Đổi tên dòng thành R-Prod1.

3. Bấm vào Cooler trong PFD và đổi tên dòng thành R-Prod2.

4. Thiết lập thiết bị trao đổi nhiệt và đặt tên là Pre-Heater, với các dòng Feed

và Pre-Heat là dòng vào và dòng ra tube-side, các dòng R-Prod1 và R- Prod2 là dòng vào và dòng ra shell-side. Mở Parameter page. Khai báo giá trị Delta P bằng “0” cho cả tube side và shell side. Chọn Model Weighted Exchanger. Đóng cửa sổ.

5. Cần phải xác định thêm một tham số nữa. Mở Worksheet và thay đổi nhiệt độ của dòng Pre-Heat thành 600oF.

6. Có thể thay đổi nhiệt độ này để xem ảnh hưởng của nó tới Heat Duty và

UA. Tăng nhiệt độ Pre-Heat có thể làm giảm H-Duty, nhưng nếu tăng UA, có nghĩa là cần lượng nhiệt lớn hơn với cùng diện tích bề mặt trao đổi nhiệt đó. Rõ ràng sẽ có giới hạn trên đối với Pre-Heater như thế nào là tốt cho quá trình trao đổi nhiệt này. Có thể thấy được điều này bằng cách thay đổi nhiệt độ và ghi lại sự thay đổi của các thông số khác. Điều này có thể thực hiện được bằng cách sử dụng Databook, trình tự theo các bước sau:

a. Mở Tools/Databook. Bấm vào phím Insert và chọn Pre-Heat trong

Object, chọn Temperature trong Variable và bấm phím Add. Làm tương tự cho Heat-Duty trong Object, chọn Heat Flow trong Variable và bấm phím Add. Tương tự chọn Heat Exch trong Object, chọn UA

trong Variable và bấm phím Add. Đóng cửa sổ.

b. Chuyển sang Case Studies và bấm phím Add. Chọn Ind (Independent

Variable) cho Pre-Heat và chọn Dep (Dependent Variable) cho Heat- Duty và Heat Exch. Bấm phím View. Nhập giá trị 500 cho Low Bound, 620 cho High Bound, và 10 cho Step Size.

c. Bấm Start. Sau vài giây bấm vào Results để xem kết quả.

14.3. Bài tập 3. Quá trình có sử dụng công cụ logic Recycle

Etyl clorua được sản suất từ HCl và etylen, phản ứng thực hiện trong pha khí trên xúc tác clorua đ ng mang trên silica:

C2H4 + HCl  C2H5Cl

Dòng nguyên liệu có thành phần g m 50% mol HCl, 48% mol C2H4, và 2% mol N2 với lưu lượng dòng 100 kmol/h, nhiệt độ 25oC, và áp suất 1 atm. Phản ứng đạt độ chuyển hoá 90% mol, etyl clorua được tách khỏi hỗn hợp khí chưa phản ứng, và sau đó được tuần hoàn lại. Quá trình tách sản phẩm sử dụng tháp chưng luyện, giả định là quá trình tách triệt để. Quá trình tiến hành ở áp suất khí quyển, và độ giảm áp được bỏ qua. Để ngăn ngừa sự tích tụ của khí trơ trong hệ thống, dòng khí thải W có lưu lượng là 10 kmol/h. Đánh giá ảnh hưởng của lưu lượng dòng khí thải W đến dòng tuần hoàn R và thành phần hỗn hợp khí phản ứng.

Trình tự mô phỏng

Đây là hướng d n ngắn. Sẽ khó hiểu nếu chưa hoàn thành các phần trước.

1. Khởi động HYSYS, chọn Peng Robinson EOS cho Fluid Package. Mở

Component tab để chọn components (ethylene hoặc ethene),

hydrogen_chloride, ethyl_chloride, và nitrogen). Đóng cửa sổ. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

2. Bấm phím Enter Simulation Environment. Chọn Mixer trong Object Palette và đưa vào Process Flow Diagram (PFD). Làm tương tự với Conversion Reactor, Component Splitter, Tee, và Recycle như trên hình 14.3.

3. Đặt tên tất cả các dòng như trên hình 14.3.

4. Bấm Flowsheet/Reaction Package. Add Global Rxn Set. Sau đó bấm