Mô phỏng (simulation) là phương pháp mô hình hóa dựa trên việc thiết lập mô hình số và sử dụng phương pháp số để tìm ra lời giải đáp với sự trợ giúp của máy vi tính. Trong ngành công nghệ hóa học, mô phỏng đóng vai trò vô cùng quan trọng trong việc thiết kế, phân tích, vận hành và tối ưu hoá hệ thống. Mô phỏng quá trình chưng cất được công bố
25 rộng rãi trên thế giới chủ yếu áp dụng cho tháp đĩa và rất ít cho tháp đệm. Mặc dù đã có một sự phát triển liên tục cho mô hình động học tháp chưng cất, chủ yếu là gần đúng, để sử dụng trong nhiệm vụ điều khiển quá trình, nhưng các công bố khoa học về mô hình hoàn chỉnh cho tháp đệm, cũng như mô phỏng quá trình chưng ứng dụng cho tháp đệm vẫn còn yếu. Nguyên nhân chủ yếu là ứng với mỗi loại đệm khác nhau, thông số của đệm và thông số để tính toán quá trình (HETP, độ giảm áp suất, lượng lỏng bám ở đệm) đều khác nhau. Do vậy, việc nghiên cứu và sử dụng chương trình mô phỏng cho tháp chưng cất chân không gián đoạn loại đệm là rất cần thiết.
Mô phỏng một quá trình vận hành thực tế 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. 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. Người ta đã tìm thấy rằng thời gian có thể tiết kiệm được đến 70% bằng cách sử dụng các quy trình vận hành khác nhau[23,24,51].
Chưng luyện gián đoạn thường được vận hành với các chu trình sản xuất bao gồm nạp nguyên liệu, đun nóng, cân bằng, lấy sản phẩm phụ, lấy sản phẩm chính, lấy sản phẩm trung gian, làm lạnh, tháo cặn và làm sạch. Lượng sản phẩm phụ phụ thuộc chủ yếu vào nguyên liệu cũng như độ tinh của sản phẩm tách. Độ tinh của sản phẩm phụ thuộc vào độ bay hơi tương đối, chỉ số hồi lưu và chiều cao đệm.
Các chiến lược vận hành tháp chưng luyện gián đoạn.
Vận hành tháp chưng luyện gián đoạn là cả một nghệ thuật đòi hỏi người kỹ sư ngoài chuyên môn vững còn phải có kinh nghiệm trong xử lý các tình huống. Có rất nhiều chiến lược vận hành tháp chưng luyện gián đoạn được ứng dụng trong thực tế. Tùy thuộc vào đối tượng chưng cất, mục tiêu kỹ thuật và cấu hình tháp đi kèm mà áp dụng chiến lược vận hành thích hợp. Một số quy trình vận hành tháp chưng luyện gián đoạn thường gặp trong thực tế:
- Quy trình vận hành mở (truyền thống): đây là quy trình vận hành phổ biến cho tháp chưng luyện gián đoạn, thể hiện trên hình 1.7.
Chỉ số hồi lưu không đổi (khi đó thành phần đỉnh thay đổi): hình 1.7 a
26 Chỉ số hồi lưu tối ưu (chỉ số hồi lưu được tính toán dựa trên một bài toán tối ưu nào đó, do vậy, không những thành phần sản phẩm thay đổi mà chỉ số hồi lưu cũng biến đổi trong suốt quá trình lấy sản phẩm): hình 1.7 c
Hình 1.7 Phương thức vận hành truyền thống cho tháp chưng luyện gián đoạn. - Quy trình vận hành kín: đây là quy trình vận hành hồi lưu hoàn toàn (không lấy sản phẩm) thường được sử dụng trong suốt giai đoạn khởi động. quy trình này được sử dụng để tách triệt để các tạp dễ bay hơi, mà không quan tâm đến thời gian chưng luyện yêu cầu. Quy trình vận hành này chỉ sử dụng khi tách hỗn hợp có nhiệt độ sôi gần nhau.
- Quy trình vận hành theo chu kỳ: trong quy trình này có dãy các chu trình kín mà không có tháo sản phẩm giữa các chu trình. Nhiều tác giả đã nghiên cứu tối ưu hóa cho chiến lược vận hành theo chu kỳ và so sánh với chiến lược vận hành truyền thống. Chiến lược vận hành theo chu kỳ phù hợp với các hỗn hợp nhiều cấu tử, mà nồng độ của các cấu tử dễ bay hơi là nhỏ. Quy trình này giảm được hơn 30% thời gian chưng gián đoạn theo quy trình mở.
- Quy trình vận hành bán liên tục: đây là quy trình vận hành tháp gián đoạn có thùng trung gian khi nguyên liệu được nạp vào thùng trung gian. Trong quá trình vận hành, mức chất lỏng trong thùng trung gian này sẽ giảm dần dần. Quá trình này gần như có thể coi là quá trình liên tục. Đôi khi, tháp có thùng trung gian được vận hành với quy trình nạp lại nguyên liệu vào thùng trung gian do vậy thích hợp hơn khi gọi quy trình này là quy trình vận hành bán liên tục bởi vì hỗn hợp nguyên liệu được cung cấp liên tục suốt các giai đoạn.
Vận hành của một tháp chưng luyện gián đoạn chia làm ba giai đoạn chính:
- Giai đoạn khởi động: theo quy trình vận hành kín cho đến khi đạt trạng thái xác lập hay khi thành phần các cấu tử đạt được độ tinh khiết cần thiết.
27 - Giai đoạn lấy sản phẩm: theo quy trình vận hành mở.
- Giai đoạn tắt tháp.
Chiến lược vận hành truyền thống.
a) Chỉ số hồi lưu không đổi với thành phần đỉnh thay đổi
Với chiến lược chỉ số hồi lưu không đổi, chỉ số hồi lưu được duy trì không đổi trong suốt quá trình. Đây là chiến lược đơn giản nhất nhưng kém hiệu quả nhất so với các chiến lược chỉ số hồi lưu thay đổi khác.
Một số mô phỏng thực nghiệm của giai đoạn lấy sản phẩm ứng dụng mô hình
hóa[25,50,65]. Mujtaba đã mô phỏng vận hành chưng luyện gián đoạn sử dụng mô hình chưng
luyện liên tục[51].
Dưới đây là hình mô tả biến đổi nồng độ sản phẩm đỉnh và nồng độ sản phẩm đáy khi chưng luyện gián đoạn với chỉ số hồi lưu không thay đổi.
Hình 1.8 Biến đổi nồng độ của cấu tử dễ bay hơi ở đỉnh và đáy trong quá trình chưng luyện gián đoạn với chỉ số hồi lưu không đổi
28 Hình 1.9 Biểu diễn trên đồ thị x-y của quá trình chưng luyện gián đoạn với chỉ số hồi lưu
không đổi
b) Thành phần đỉnh không đổi với chỉ số hồi lưu thay đổi
Với chiến thuật thành phần đỉnh không đổi, sản phẩm được lấy ra tại lưu lượng cao nhất có thể tương ứng với chỉ số hồi lưu phù hợp để duy trì nồng độ sản phẩm tại giá trị mong muốn. Trong quá trình chưng gián đoạn, nồng độ đỉnh có xu hướng xấu đi và chỉ số hồi lưu được tăng đều đặn bằng cách giảm lưu lượng dòng sản phẩm đỉnh, cho tới khi nồng độ mong muốn không thể duy trì. Tại điểm này sản phẩm được đưa vào thùng nhận khác và sản phẩm trung gian được lấy ra tại chỉ số hồi lưu cao không đổi.
Quy trình này được nhắc lại cho tới khi tất cả sản phẩm được lấy hết. Nếu quá trình kế tiếp có các cấu tử trong hỗn hợp giống nhau, sản phẩm phụ thường được trộn với nguyên liệu.
Bogart[57] đã phát triển phương trình khi giả thiết bỏ qua lượng lỏng bị giữ lại trong tháp: 2 ( ) (1 )( ) pi pf x i D pi P D P x M x x dx V L V x x (1.47) Lượng sản phẩm chưng luyện có thể tính bằng:
( pi pf ) i f D pf M x x M M x x (1.48) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
29 Biểu diễn quá trình chưng luyện gián đoạn trên đồ thị x-y với chỉ số hồi lưu thay đổi được thể hiện như trên hình 1.7.
Hình 1.10 Biểu diễn trên đồ thị x-y của quá trình chưng luyện gián đoạn với thành phần đỉnh không đổi
Nồng độ sản phẩm đỉnh được giữ không đổi bằng cách tăng hồi lưu khi thành phần bình chưng trở nên loãng dần. Đường làm việc với nhiều độ dốc khác nhau được vẽ từ thành phần đỉnh, và số đĩa lý thuyết tìm được khi đi qua thành phần đáy.
Đối với hệ tinh dầu thông, do thành phần của các tạp là rất nhỏ và mục đích là phân tách cấu tử α – pinene tinh khiết, tách triệt để các tạp ra khỏi sản phẩm tinh chế. Do đó chiến lược vận hành được sử dụng như sau:
- Khởi động tháp và chạy hồi lưu hoàn toàn với quy trình vận hành kín. - Lấy phân đoạn nhẹ thường giàu các cấu tử dễ bay hơi với chỉ số hồi lưu cao. - Giảm chỉ số hồi lưu.
- Lấy phân đoạn chính. - Tăng chỉ số hồi lưu. - …
- Xen kẽ là quá trình chạy hồi lưu hoàn toàn trong thời gian ngắn, áp dụng quy trình vận hành theo chu kỳ.
30