Các phần mềm mô phỏng như Hysys, Unisim rất hiệu quả trong việc xây dựng giản đồ pha của hệ nhiều cấu tử.
a. Giản đồ pha của hệ hai cấu tử thiết lập bằng Hysys
Cân bằng pha không phải là trạng thái cân bằng tĩnh mà là trạng thái cân bằng động, vẫn luôn tồn tại sự chuyển động của các cấu tử từ pha lỏng sang pha hơi và ngược lại. Có
Các hệ Hệ nhiệt động
Tách nước TEG PR
Nước chua PR, Sour PR Quá trình làm lạnh khí PR, PRSV Phân tách không khí PR, PRSV
Tháp chưng cất khí quyển PR, PR Options, GS
Tháp chưng cất chân không PR, PR Options, GS<10mmHg, Braun K10, Esso K Tháp etylene Lee Kesler Plocker
Hệ thống cao H2 PR,ZJ or GS Hệ thống thu dầu thô PR, PR options
Hệ thống hơi nước Steam Package, CS hoặc GS Ngăc cản hydrat hóa PR
Hệ thống hóa học Activity Models, PRSV
Alkyl hóa PRSV, NRTL
25
nghĩa là khi đạt đến trạng thái cân bằng pha thì tốc độ bay hơi và tốc độ ngưng tụ bằng nhau.
Đại lượng đặc trưng cho sự phân bố của các cấu tử giữa các pha ở điều kiện cân bằng pha gọi là hằng số cân bằng pha K xác định theo phương trình (còn gọi là định luật phân bố).
Ki= i i y x
Trong đó, yi – phần mol của cấu tử i trong pha hơi xi – phần mol của cấu tử i trong pha lỏng
Ứng dụng của hằng số cân bằng K (định luật phân bố) có thể sử dụng để xác định điểm bọt, điểm sương hay là thành phần của các cấu tử tại một điều kiện xác định trên đường bao pha.
Đồ thị y – x là một công cụ trực quan khi nghiên cứu về định luật phân bố (K). Khi hai cấu tử hai pha hoàn toàn không tan lẫn hoặc tan một phần vào trong nhau thu được hai pha riêng biệt. Mỗi pha có 2 cấu tử khi đó xây dựng đồ thị y – x thuận tiện hơn rất nhiều cho quá trình tính toán cân bằng pha.
Khi trong dung dịch có hệ 3 cấu tử thì sẽ xây dựng được đồ thị tam giác mô tả cân bằng pha của hỗn hợp.
Xây dựng đồ thị y – x thuận lợi cho tính toán các quá trình như chưng cất hay trích ly các cấu tử.
Ví dụ: xây dựng đồ thị y – x của hệ nước – di-iso propyl ether với phần mol 50/50. Khởi động phần mềm, nhận được giao diện sau:
26
Chọn icon Fluid Package Manager trong giao diện ban đầu:
Hình 2. Giao diện ban đầu
Hoặc vào Managers chọn Fluid Package Managers. Sau khi chọn xong sẽ xuất hiện của sổ như trên hình 3.
Hình 3. Giao diện Fluid Package Managers
Chọn add Fluid Package và chọn hệ Peng Robinson cho pha khí, NRTL cho pha lỏng. (Có thể tham khảo thêm Hysys Chem) như trên hình 4.
27
Hình 4. Giao diện lựa chọn hệ nhiệt động
Trong tab Components chọn DIIPE và nước, như trên hình 5.
Hình 5. Giao diện lựa chọn cấu tử
Để nguyên giá trị mặc định trong Binary Coefficent. Chọn icon Themodynamic Workbench Managers hoặc trong Managers Themodynamic Workbench Managers. Trong Themodynamic Workbench Managers chọn Phase Equibrium add như trên hình 6.
28
Hình 6. Chọn Phase Equibrium
Hình 7. Giao diện xác định Phase Equibrium
Chọn tab Plot add Pressure 1 atm và nhận được giản đồ pha như hình 8.
29
b. Thiết lập giản đồ pha của hệ ba cấu tử bằng Hysys
Cân bằng của hệ Benzen-xyclohexan-nước tại điều kiện 25oC, 1atm với phần mol BZ:nước:CC6= 0.2:0.2:0.6.
Các bước tiến hành tương tự. Kết quả cho giản đồ hệ 3 cấu tử như hình 9
Hình 9. Giản đồ cân bằng pha hệ ba cấu tử
c. Thiết lập giản đồ pha của hỗn hợp khí hydrocacbon bằng Hysys
Để thiết lập giản đồ pha sử dụng công cụ Utility Phase Envelope có trong hysys.
Ví dụ: Thiết lập giản đồ pha của hỗn hợp khí đồng hành gồm 11 cấu tử hydrocacbon và phi hydrocacbon, có thành phần như sau:
30 Cấu tử % mol CO2 1.25 H2S 0.5 C1 21.36 C2 36.78 C3 10.21 i-C4 6.38 n-C4 9.84 i-C5 2.63 n-C5 4.01 C6 3.90 C8 3.14 Tổng 100 Chọn hệ nhiệt động Peng-Robinson (hình 10) Hình 10. Chọn hệ nhiệt động
31
Nhập vào cấu tử như bảng trên vào giao diện hình 11 sau:
Hình 11. Giao diện nhập các cấu tử
Tạo một dòng mới với thành phần, nhiệt độ: 25oC, áp suất: 1tam, lưu lượng dòng: 1 kmol/h (hình 12).
Hình 12. Tạo dòng nguyên liệu Vào tab Attachments chọn Ultility như hình 13
32
Hình 13. Chọn Utilities Trong Utilities bấm phím Create (hình 14)
33
Xuất hiện hộp thoại và chọn công cụ Envelope Utility, click vào Add Utility (hình 15).
Hình 15. Lựa chọn tiện ích Envelope Utility
Trong giao diện Envelope Utility có thể đổi tên trong ô Name, và lựa chọn dòng cần xác định giản đồ pha bằng cách bấm phím Select Stream (hình 16).
Hình 16. Giao diện Envelope Utility
Hysys tính kết quả, vào tab Performance để xem kết quả hiển thị dưới dạng bảng hoặc đồ thị.
34
Hình 17. Đường bao pha hỗn hợp nhiều cấu tử
Sau khi thiết lập được đường bao pha pha hỗn hợp nhiều cấu tử có thể xác định được các điểm bọt, điểm sương, điểm tới hạn và đường tạo hydrat của hỗn hợp khí.
d. Thiết lập giản đồ pha của hỗn hợp dầu thô bằng Hysys
Thiết lập một dòng mới chứa các cấu tử dầu từ môi trường Oil Manager (sử dụng tài liệu Hysys oil).
Sau khi nhập dòng dầu vào môi trường mô phỏng, thiết lập các điều kiện: nhiệt độ: 25oC, áp suất: 1 atm, lưu lượng: 1 kmol/h.
Thiết lập với những bước thực hiện như trên, kết quả đạt được:
35
Tài liệu tham khảo
1. A.Durupthy, A.Casalot, A.Jaubert, C.Mesnil. Hoá học. Người dịch Đào Quý Chiệu. Nhà xuất bản Giáo dục 2001
2. La Văn Bình. Nhiệt động trong hoá kỹ thuật. Nhà xuất bản KHKT 2001. 3. Hysys Manual - Hysys Gas
4. Hysys Manual - Hysys Oil