Mô phỏng một quá trình vận hành thực tế (cả giai đoạn khởi động, giai đoạn hồi lưu toàn phần và giai đoạn lấy sản phẩm) của các tháp chưng luyện gián đoạn truyền thống là chủ đề của rất nhiều nghiên cứu trên thế giới hơn nửa thế kỷ qua. Sự thú vị là khi phát triển một mô hình (bao gồm các phương trình cân bằng năng lượng và cân bằng vật chất, các phương trình thủy lực và các phương trình mô tả các tính chất vật lý…) mà có thể đưa ra các chế độ vận hành của tháp và từ đó tìm được chế độ vận hành thích hợp nhất.
Mô hình tháp chưng luyện gián đoạn bắt đầu bằng mô hình nổi tiếng và đơn giản Rayleigh. Cùng với sự phát triển của máy tính tốc độ cao, có nhiều công bố về mô hình bao gồm các cân bằng năng lượng, lượng lỏng tích lũy trong tháp, các quy
Học viên: Phan Thị Quyên
54
luật thủy lực của tháp, các tính chất vật lý chính xác… để mô phỏng vận hành thực tế của các tháp chưng luyện gián đoạn. Trong rất nhiều trường hợp thấy rằng các mô hình phải được đơn giản hóa bởi vì một số lý do: quy mô và độ phức tạp của vấn đề, khả năng tính toán của máy tính, các phương pháp số phù hợp đã có để giải các phương trình mô hình, đạt được sự chính xác trong dự đoán quá trình vận hành thực và thời gian tính toán.
Xác định quy trình vận hành tháp chưng luyện gián đoạn thích hợp là rất quan trọng để cải thiện hiệu quả tiêu thụ năng lượng và chất lượng của sản phẩm, giảm thời gian sản xuất và giảm lượng sản phẩm phụ. Sorensen (1970) tìm thấy rằng thời gian có thể tiết kiệm được đến 70% bằng cách sử dụng các quy trình vận hành khác nhau.
Chưng luyện gián đoạn thường đựợc vận hành với các chu trình sản xuất bao gồm nạp nguyên liệu, đun nóng, cân bằng, tháo sản phẩm, lấy sản phẩm phụ, tháo sản phẩm, làm lạnh, tháo cặn và làm sạch. Lượng sản phẩm phụ phụ thuộc vào độ tinh khiết của sản phẩm tách. Độ tinh khiết của sản phẩm phụ thuộc vào lượng lỏng tích lũy, độ bay hơi tương đối, chỉ số hồi lưu và số đĩa hay chiều cao đệm. Sản phẩm trung gian thường được hồi lưu ở mẻ chưng khác vào một thời điểm thích hợp.
2.1. Mô phỏng giai đoạn khởi động
Giai đoạn khởi động được hiểu là quá trình đưa tháp từ trạng thái rỗng và nguội đến khi tháp bắt đầu ở trạng thái ổn định. Thường gồm các giai đoạn sau:
Nạp nguyên liệu
Cấp nhiệt cho thiết bị đun sôi đáy tháp khi lượng nguyên liệu đạt đến mức độ nào đó (tùy theo cách khởi động)
Học viên: Phan Thị Quyên
55
Chạy tháp ở chế độ hồi lưu toàn phần từ khi có lỏng ngưng tụ ở đỉnh cho đến khi các thông số trên toàn thân tháp bắt đầu ổn định.
Ở giai đoạn khởi động việc mô phỏng không thể dùng mô hình tổng quát của tháp như mô tả. Vì các đĩa trong tháp không ở trạng thái cân bằng lỏng hơi hoặc chưa hình thành các dòng pha. Vì vậy để mô tả các quá trình này cần thiết phải xây sử dụng các phương trình khác để thay thế cho các phương trình cân bằng và phải xây dựng được các hệ phương trình mô tả các trạng thái khác nhau của đĩa. Tuy nhiên, việc tính toán mô phỏng giai đoạn khởi động chỉ có ý nghĩa để xác định các giá trị ban đầu cho việc tính toán mô phỏng giai đoạn hồi lưu toàn phần và giai đoạn lấy sản phẩm, lý do:
- Giai đoạn nạp liệu chủ yếu phụ thuộc năng suất của bơm.
- Giai đoạn đun sôi dung dịch đáy tháp chủ yếu phụ thuộc công suất gia nhiệt đáy.
- Giai đoạn hơi từ dưới đi lên phía trên đỉnh tháp (đến khi bắt đầu xuất hiện lỏng ngưng tụ) chủ yếu phụ thuộc vào thông số kết cấu của tháp (số đĩa, kích thước tháp…) và các điều kiện về bảo ôn.
Vì vậy, trong phạm vi của luận văn, giai đoạn hồi lưu hoàn toàn cho tới khi tháp đạt được trạng thái ổn định và giai đoạn lấy sản phẩm sao cho thành phần sản phẩm đỉnh không đổi đạt được độ tinh khiết yêu cầu sẽ được tập trung nghiên cứu. Việc mô phỏng 2 giai đoạn này sẽ trở lên dễ dàng khi giả thiết trong tháp đã có lỏng lưu trên các đĩa, thành phần chất lỏng tại các đĩa và thùng ngưng tụ trong các phương trình mô hình được thống nhất với thành phần nguyên liệu đầu.
2.2. Mô phỏng giai đoạn hồi lưu và lấy sản phẩm
Quá trình vận hành tháp chưng luyện gián đoạn được mô phỏng chia làm các giai đoạn chính:
Học viên: Phan Thị Quyên
56
Bước 1: Tháp chạy ở chế độ hồi lưu hoàn toàn.
Bước 2: Tháp chạy với chỉ số hồi lưu thay đổi trong suốt quá trình chưng luyện gián đoạn. Trong quá trình chạy có thể lấy sản phẩm chính hay phụ tại các đĩa.
Nồng độ của hỗn hợp đầu đê mô phỏng được lấy theo nồng độ hỗn hợp đầu vào của tháp chưng luyện gián đoạn thuộc Công ty cổ phần Rượu và các sản phẩm tự nhiên (ANP) như sau:
Cấu tử mol/mol Acetandehyd 0.000131 Acetic axit 0.000799 Ethyl Acetat 0.000193 Methanol 0.000527 n-Propanol 0.000080 iso-Butanol 0.000095 iso-Amylic 0.000233 Ethanol 0.218903 Nước 0.779040 Tổng 1.000000 Bảng 8: Thành phần rượu nguyên liệu