3.1.1. Giới thiệu sơ lược về Aspen Hysys
Aspen Hysys là một phần mềm có khả năng tính toán đa dạng, tích hợp giữa Aspen và Hysys, cho kết quả có độ chính xác cao, đồng thời cung cấp nhiều thuật toán sử dụng trợ giúp trong quá trình tính toán công nghệ và khảo sát các thông số trong quá trình thiết kế nhà máy hóa chất.
Phần mềm Hysys được phát triển trên nền tảng là phiên bản của phần mềm mô phỏng Hyprotech. Sản phẩm mới này có khả năng :
- Tích hợp hơn.
- Dễ nhìn và có thể tương tác qua lại. - Có khả năng mở rộng.
Với giao diện thân thiện của Hysys việc tương tác giữa người và máy trở nên dễ dàng hơn vì vậy chúng ta có thể thao tác với các biến số cần xử lý và mô hình của các thiết bị một cách dể dàng, cũng như khả năng thiết kế mô phỏng.
Hysys được thiết kế sử dụng cho hai trạng thái mô phỏng:
- Steady Mode: Trạng thái tĩnh, sử dụng thiết kế công nghệ cho một quá trình. - Dynamic Mode: Trạng thái động, mô phỏng thiết bị hay quy trình ở trạng thái đang vận hành liên tục, khảo sát sự thay đổi các đáp ứng của hệ thống theo sự thay đổi của một vài thông số.
3.1.2. Những ưu điểm của phần mềm Aspen Hysys
Aspen Hysys cho độ chính xác rất cao. Trong Hysys việc mô phỏng được hướng dẫn một cách cặn kẽ, Hysys có khả năng báo lỗi bằng màu đỏ tại các thiết bị mô phỏng khi ta nhập dữ liệu không hợp lệ hoặc nhập thiếu dữ liệu. Việc điều hành và tính toán các thông số công nghệ của dòng và các thiết bị trong nhà máy mang tính logic cao, việc thêm bớt các thiết bị cũng đơn giản và không cần đòi hỏi nhập lại các số liệu ban đầu cũng như thiết lập một quy trình. Khi mô phỏng thì Hysys có các khả năng sau:trình thiết kế nhà máy hóa chất. Ngoài thư viện có sẵn, Hysys (Aspen Hysys) cho phép người sử dụng tạo các thư viện riêng rất thuận tiện cho việc sử dụng.
Ngoài ra, Hysys còn có khả năng tự động tính toán các thông số còn lại nếu thiết lập đủ thông tin. Đây chính là điểm mạnh của Hysys giúp người sử dụng tránh những sai sót và đồng thời có thể sử dụng những dữ liệu ban đầu khác nhau.
Phần mềm Hysys này có các khả năng:
• Tính toán các thông số còn lại khi đã biết đủ các thông số liên quan: trong Hysys, người ta đã lập ra nhiều mô hình nhiệt động và phương trình tính toán các đặc trưng lý hoá của tất cả các cấu tử và hợp chất.
• Tính toán hai chiều và sử dụng thông tin một phần: chương trình chia làm nhiều phần nhỏ (các đơn vị unit khác nhau). Mỗi unit là một thiết bị như: tháp chưng cất, máy nén, bình tách,... có khả năng xác định xem các thông số nào đã biết hoặc các thông số nào có thể tính toán từ các dòng nối với các unit đó.
• Truyền dữ liệu: khi Hysys được cung cấp thêm một thông tin mới, chương trình lập tức sẽ thực hiện các tính toán có thể rồi chuyển kết quả mới này tới các thiết bị sử dụng chúng. Trong quá trình chạy, Hysys sẽ thực hiện việc truyền dữ liệu và các phép tính lặp để đưa ra kết quả tối ưu từ những thông số mà người mô phỏng nhập vào.
• Tự động tính toán lại: Khi người mô phỏng loại bỏ một thông số hoặc một thiết bị nào đó, Hysys sẽ tự động loại bỏ tất cả các thông số tính toán được từ các thông số cũ và giả định chúng là chưa biết. Các thông số không liên quan đến thông số bị loại bỏ vẫn được giữ lại.
3.2. Thao tác mô phỏng tính toán trong Aspen Hysys
3.2.1. Các bước xây dựng mô hình tính toán mô phỏng trong Hysys
Trong phạm vi đồ án này ta sử dụng công cụ Aspen Hysys để mô phỏng phân xưởng isome hóa của nhà máy lọc dầu Dung Quất theo công nghệ PENEX/DIH. Để bắt đầu tiến hành mô phỏng tính toán cho một quy trình công nghệ của một quy trình sản xuất nào đó thì yêu cầu người thực hiện mô phỏng trước tiên phải nắm rõ toàn bộ quy trình công nghệ, cũng như am hiểu toàn bộ các thông số thiết kế của tất cả các thiết bị, các thông số về nguyên liệu liên quan đến quá trình mô phỏng trong nhà máy, … để từ đó tiến hành mô phỏng và đưa ra ý tưởng về thông số công nghệ, chế độ vận hành. Dựa vào kết quả thu được từ Hysys để so sánh và đánh giá,… trên cơ sở đó sẽ đưa ra chế độ vận hành tối ưu nhất cho quy trình công nghệ nhằm nâng cao hiệu suất của nhà máy.
Để bắt đầu tiến hành thiết kế mô phỏng cho một quy trình công nghệ, ta thực hiện các bước sau:
Bước 1:Khởi động phần mềm mô phỏng
Hình 3.1: Khởi động phần mềm
Bước 2: Thiết lập hệ đơn vị sử dụng: Từ Menu Bar chọn Tools\ Preferences để hiện ra cửa sổ Preferences và sau đó lựa chọn Variable Tab.
Bước 3: Trong bước này chúng ta có hai trường hợp lựa chọn: Mở một quy trình đã được thiết lập: chọn File/Open Case. Thiết lập một quy trình mới: Vào File/ chọn New Case.
Bước 4:(Bước 4 chỉ thực hiện khi bước 3 chọn thiết lập một quy trình mới)
Chọn mô hình nhiệt động. Việc xác định hệ nhiệt động có ý nghĩa quan trọng vì điều này sẽ quyết định đến phương pháp tính toán và kết quả của quá trình. Vì nguyên liệu là hỗn hợp các cấu tử hydrocacbon nhẹ nên ta chọn hệ nhiệt động Peng-Robinson.
Hình 3.3: Chọn hệ phương trình nhiệt động
Ngoài việc lựa chọn thành phần các cấu tử có sẵn, Hysys còn cho phép người sử dụng lựa chọn các hệ giả định, đây là những hệ không bao gồm từng cấu tử riêng lẻ mà được xác định thông qua các thông tin về tính chất hoá lý như đường cong ASTM, TBP,...
Bước 4: Nhấn phím Enter Simulation Environment để vào môi trường mô phỏng, ở đây ta có thể thiết lập các dòng và thiết bị cần thiết cho quy trình công nghệ. Trong môi trường mô phỏng, ta nhấn F4 sẽ xuất hiện Case (Main) gồm tất cả các thiết bị có thể có trong phân xưởng như: Tháp chưng cất, thiết bị phản ứng, bình tách, thiết bị trao đổi nhiệt, thiết bị gia nhiệt, thiết bị làm nguội bằng không khí, bơm, van, và một số thiết bị điều khiển,… Ta tiến hành lựa chọn thiết bị và nhập các thông số cần thiết cho thiết bị đó, sau đó là lắp ghép chúng lại với nhau theo đúng sơ đồ quy trình công nghệ của phân xưởng.
Hình 3.5: Môi trường mô phỏng trong Hysys
Bước 5: Xuất kết quả của quá trình mô phỏng dưới dạng dữ liệu thông qua
Report (chọn Tool/Reports) hoặc bằng đồ thị (Graph) hoặc dưới dạng bảng (Table).
Bước 6: Trong trường hợp muốn chuyển sang trạng thái động của quá trình
(Dynamic Mode) thì cần thực hiện các bước sau:
Thiết lập các thông số động của quá trình thông qua Dyn Property Model.
Xác định kích thước của các thiết bị cùng với các thông số cần thiết như số vòng quay của bơm, quạt, máy nén,...
3.2.2. Ứng dụng Aspen Hysys để mô phỏng công nghệ PENEX/DIH của phân xưởng Đồng phân hóa xưởng Đồng phân hóa
Như đã được giới thiệu ở phần trên, nguyên liệu vào nhà máy là hệ gồm hỗn hợp các cấu tử hydrocacbon nhẹ, nên hệ phương trình nhiệt động ta dùng trong mô phỏng ở đây là hệ Peng-Robinson.
3.2.2.1. Tiến hành xây dựng sơ đồ công nghệ
Nhấp chọn New Case để vào trong hộp thoại Simulation Basis Manager.
Trong Components, nhấp vào Add để thiết lập hệ các cấu tử có mặt trong thành phần nguyên liệu của phân xưởng trong thư viện các cấu tử có sẵn.
Hình 3.6: Lựa chọn cấu tử từ Component Library
Chọn phương trình nhiệt động Peng-Robinson trong hộp thoại Fluid Package. Đóng cửa sổ trên lại để quay trở lại hộp thoại Basis Manager và nhấn vào Enter Simulation Environment để thiết lập sơ đồ mô phỏng
Nhấn vào phím “F4” thì trong màn hình Hysys sẽ xuất hiện một hộp thoại Case (Main), tiếp theo ta chọn từ Case các thiết bị có trong sơ đồ công nghệ như :
- Thiết bị hấp phụ và khử hấp phụ. - Các thiết bị trao đổi nhiệt.
- Các thiết bị gia nhiệt và làm lạnh. - Các van và bơm.
- Các bình hồi lưu. - Thiết bị phản ứng.
- Tháp Stabilizer và tháp DIH…
3.2.2.2. Nhập các thông số cho các dòng và các thiết bị
Quá trình mô phỏng được chia làm 5 cụm thiết bị: Make-up Gas, Feed Driers, Thiết bị phản ứng, Stabilizer, Net Gas Scrubber, Tháp Deisohexanizer.
3.2.2.2.1 Cụm Feed Driers (DR-2303/2304)
Ta tiến hành nhập các thông số cho dòng nguyên liệu Naphtha (201) và dòng hồi lưu 549 từ tháp DIH về cụm Feed Driers.
Hình 3.7: Nhập các thông số cho dòng Feed Naphtha (201)
Cả hai dòng này được hợp lại với nhau tại thiết bị MIX-1 thành dòng 304 đi đến thiết bị hấp phụ bằng rây phân tử DR-2303/2304.
Phần mềm Aspen Hysys không cho phép mô phỏng thiết bị hấp phụ rây phân tử này nên để ta mô phỏng thay thế bằng thiết bị Component Splitter. Sản phẩm ra gồm có dòng nguyên liệu đã tách triệt để nước và nước bị hấp phụ.
Hình 3.9: Biểu diển thiết bị hấp phụ DR-2303
Mô phỏng thiết bị giải hấp DR-2304 với tác nhân giải hấp là sản phẩm đỉnh của tháp DIH:
Dòng 309 đi ra từ DR-2303 được tách triệt để hơi tại D-2301, sau đó được bơm P-2301A/B nâng áp lên 36.8 kg/cm2g.
Hình 3.11: Thiết bị tách D-2301
Hình 3.12: Bơm nâng áp P-2301A/B
Dòng đi ra từ P-2301 A/B sẽ đến thiết bị MIX-2 để kết hợp với dòng 115 đến từ cụm Make-up gas.
3.2.2.2.2. Cụm Make-up Gas
Nhập các thông số cho dòng Make-up Gas 113 đi vào thiết bị hấp phụ DR-2301/2302:
Hình 3.13: Nhập thông số cho dòng Make-up Gas(113)
Thiết bị hấp phụ DR-2301/2302 cũng được mô phỏng tương tự thiết bị hấp phụ DR-2303/2304 :
Hình 3.15: Mô phỏng thiết bị DR-2302
Sau đó dòng 115 này sẽ được trộn với dòng ra khỏi bơm P-2301A/B nhờ thiết bị MIX 2.
Hình 3.16: Mô phỏng thiết bị MIX-2
Dòng 327 đi ra từ MIX-2 lần lượt qua 2 thiết bị trao đổi nhiệt E-2306, E-2307 để tận dụng nhiệt của dòng sản phẩm đi ra từ hai thiết bị phản ứng: R-2302 và R-2303.
Hình 3.17: Mô phỏng thiết bị trao đổi nhiệt E-2306
Hình 3.19: Mô phỏng thiết bị trao đổi nhiệt E-2307
Hình 3.20: Thông số của thiết bị trao đổi nhiệt E-2307
Dòng 329 đi ra từ E-2307 sẽ kết hợp với dòng C2Cl4, sau đó qua thiết bị gia nhiệt E-2308 để nâng nhiệt độ lên 1330C trước khi vào thiết bị phản ứng R-2302.
Hình 3.21: Mô phỏng thiết bị MIX-3
Hình 3.23: Thông số của thiết bị trao đổi nhiệt E-2308
3.2.2.2.3. Cụm thiết bị phản ứng *Khai báo phản ứng:
Phản ứng isome hóa là phản ứng cân bằng. Do đó ta chọn thiết bị phản ứng dạng cân bằng:
Hình 3.24: Chọn phản ứng dạng cân bằng
Sau đó ta tiến hành khai báo các phản ứng chính và phản ứng phụ xảy ra trong thiết bị phản ứng. Các phản ứng này được khai báo như trong mục 1.6 đã trình bày.
*Điều chỉnh Approach của các phản ứng:
Phản ứng isomer hóa xảy ra dưới tác dụng của xúc tác Pt/Al2O3 clo hóa. Phần mềm Aspen Hysys mặc định các phản ứng cân bằng xảy ra là như nhau. Do đó ta sẽ thay đổi hệ số Approach của các phản ứng phụ để quá trình gần đúng với thực tế, đảm bảo thành phần và nhiệt độ của sản phẩm sau khi ra khỏi thiết bị phản ứng.
Tại thiết bị phản ứng isomer hóa, các phản ứng chuyển hóa Naphthene thành paraffin xảy ra từ 20-40% (Chương II mục 1.4.1 sổ tay vận hành phân xưởng Isome của nhà máy lọc dầu Dung Quất). Do đó ta sẽ hiệu chỉnh aproach của các phản ứng chuyển hóa từ CycloPentan thành n-Pentan và phản ứng chuyển hóa Cyclohexan thành n-Hexan lần lượt là 40 và 30.
Hình 3.26: Hiệu chỉnh Approach của phản ứng chuyển hóa CP
Tạo set và add mô hình nhiệt động cho thiết bị phản ứng :
Hình 3.28: Tạo Set và add mô hình nhiệt động
Sau khi khai báo phản ứng, tiến hành mô phỏng cho thiết bị phản ứng R-2302 :
Hình 3.30: Khai báo các thông số cho thiết bị phản ứng R-2302
Hình 3.31: Biểu diễn cách đặt hệ phản ứng vào thiết bị R-2302
Sản phẩm của R-2302 được tách thành 2 dòng 335 và 375. Dòng 335 qua thiết bị trao đổi nhiệt E-2307 để gia nhiệt cho dòng nguyên liệu. Sau đó 2 dòng này được trộn lại với nhau và tiếp tục đi vào thiết bị phản ứng R-2303.
Hình3.32: Biểu diễn cách mô phỏng đối với thiết bị phản ứng R-2303
Hình 3.33: Khai báo các thông số cho thiết bị phản ứng R-2303
Sản phẩm của R-2303 được tách thành 2 dòng 340 và 377. Dòng 340 qua thiết bị trao đổi nhiệt E-2306 để gia nhiệt cho dòng nguyên liệu. Sau đó 2 dòng này được trộn lại với nhau và tiếp tục đi vào tháp Stabilizer.
3.2.2.2.4. Tháp Stabilizer:
Số đĩa thực tế của tháp là 30 đĩa. Nhưng phần mềm Hysys mô phỏng dựa vào số đĩa lý thuyết nên ta cần tính số đĩa lý thuyết cho tháp. Để tính số đĩa lý thuyết ta áp dụng phương pháp O’Connell, tiến hành mô phỏng 1 tháp với số đĩa bất kỳ và khảo sát các thông số(KCV,KCL) trên mỗi đĩa sau đó dựa vào công thức :
CV CV CV x y K = ; CL CL CL x y K = ; µ CL CV K K A =
Trong đó : KCV : Hệ số phân tách của cấu tử khóa nhẹ
KCL : Hệ số phân tách của cấu tử khóa nặng µ : Độ nhớt của nguyên liệu
Để tìm hệ số A, từ hệ số A dựa vào giản đồ Q2 ta sẽ tra được hiệu suất sử dụng đĩa. Sau đó lấy số đĩa mà ta tiến hành mô phỏng chia cho hiệu suất sử dụng đĩa thì ta được số đĩa thực tế của tháp. Nếu đúng với số đĩa thực tế của tháp thì số đĩa lý thuyết ta mô phỏng là đúng.
Giả sử ta mô phỏng một tháp 22 đĩa. Khảo sát các thông số KCV ,KCL,µ , từ đó ta xác định được hệ số A = 0.2067 (Bảng 1 trong phụ lục).
Tra giản đồ ta có hiệu suất sử dụng đĩa : H = 74% => Số đĩa thực tế = 22 : 0.74 = 29.73
Vậy số đĩa lý thuyết của tháp là 22 đĩa
Khai báo các thông số thiết kế cho tháp Stabilizer như sau: - Số đĩa lý thuyết của tháp: 22 đĩa.
- Nạp liệu ở đĩa 12
- Áp suất đỉnh 14.8 kg/cm2g và áp suất đáy 15 kg/cm2g
Hình 3.35: Mô phỏng tháp T-2301
Ràng buộc đối với tháp Stabilizer:
Dòng sản phẩm đi ra từ Stabilizer, sau khi qua thiết bị làm nguội bằng không khi E-2310 và thiết bị làm lạnh E-2311 sẽ đến bình tách hai pha D-2303. Dòng khí đi ra từ D-2303 sẽ qua van giảm áp VLV-2 trước khi đi vào thiết bị Net Gas Scruber, còn dòng lỏng sẽ cho hồi lưu về tháp tại đĩa số 1.
Hình 3.37 : Biễu diễn cách mô phỏng bình tách hai pha D-2303