Khởi động Hysys, để bắt đầu mô phỏng ta chọn File/new/case, hoặc sử dụng phím tắt ctrl+N.
Giao diện Simulation Basic Manager sẽ xuất hiện, Đây là giao diện chính để thiết lập các giá trị căn bản như cấu tử có mặt trong quá trình, lựa chọn mô hình nhiệt động, thiết lập các phản ứng…
Hình 2.2 Giao diện Simulation Basic Manager
• Thiết lập các cấu tử:
Tại thẻ Components tiến hành nhập các cấu tử sẽ có mặt trong quá trình mô phỏng, bao gồm: H2, CO, CO2, O2, H2O, CH3OH, CH4, DME
Hình 2.3 Lựa chọn các cấu tử tham gia vào mô phỏng
• Lựa chọn mô hình nhiệt động tiến hành theo các bước:
Vào thẻ Fluid Pkgs trong giao diện Simulation Basic Manager, click chọn view. Hysis cung cấp rất nhiều hệ nhiệt động để ứng dụng cho các quá trình tính toán khác nhau, chọn hệ nhiệt động PRSV.
Hình 2.4 Lựa chọn mô hỉnh nhiệt động
• Thiết lập các phản ứng:
Các phản ứng trong Hysys được khởi tạo tương tự như thêm cấu tử khi bắt đầu xây dựng cơ sở mô phỏng.
Chọn thẻ Reaction trong Simulation Basic Manager, danh sách các cấu tử sẽ hiển thị trong Rnx Components.
Hình 2.5 Giao diện reaction tab
Bấm phím Add Rnx, chọn loại phản ứng Conversion từ danh sách, và nhập các thông tin cần thiết như các cấu tử tham gia vào phản ứng, tỷ lệ cấu tử trong phương trình, độ chuyển hóa.
Hình 2.6 Cửa sổ thiết lập phương trình phản ứng
Hình trên là ví dụ về thiết lập phương trình phản ứng CO2 Reforming, phản ứng này có độ chuyển hóa là 87%
CO2 + CH4 = 2CO + 2H2
Tiến hành các bước tương tự với các phản ứng chuyển hóa còn lại là ta đã thiết lập xong cơ sở dữ liệu về các phản ứng sẽ sử dụng khi tiến hành quá trình mô phỏng.
phương trình phản ứng. Hysys sẽ tự tính toán độ chuyển hóa, hằng số cân bằng và các thông số khác cho phản ứng này dựa trên những thông tin được cung cấp khi thiết lập Reaction set.
• Thiết lập nhóm phản ứng:
Vì quy trình công nghệ được tiến hành trên nhiều thiết bị phản ứng khác nhau, trong mỗi thiết bị sẽ diễn ra một hoặc một nhóm phản ứng nhất định, nên ta cần phải đưa các phản ứng xảy ra trong cùng một thiết bị vào chung một nhóm phản ứng để dễ dàng add vào thiết bị khi tiến hành mô phỏng.
Tóm lại sau khi thiết lập các phản ứng và gom nhóm ta sẽ có tất cả 6 phản ứng và 3 nhóm phản ứng tương ứng với 3 thiết bị như trong bảng 2.1
2.2.4.2 Tiến hành mô phỏng
Sau khi hoàn thành các bước chuẩn bị cần thiết trong giao diện Simulation Basic Manager, bấm vào phím Enter Simulation Enviroment để vào môi trường mô phỏng. Hysys cung cấp rất nhiều công cụ phục vụ cho việc xây dựng lưu trình mô phỏng gọi là Object Palette. Từ các công cụ trong bảng này có thể nhập dòng hoặc các thiết bị cần thiết khác cho quá trình mô phỏng. Sau đây trình tự mô phỏng:
• Khởi tạo dòng vật chất:
Dòng vật chất là một yếu tố căn bản không thể thiếu trong quá trình mô phỏng khởi tạo dòng vật chất bằng cách bấm phím F11 hoặc chọn trong thanh công cụ Case (main) và kéo ra PFD.
Khai báo các thông số cho dòng bằng cách nhấp đúp vào dòng. Trong môi trường Hysys dòng nguyên liệu luôn có bốn bậc tự do, tức là để Hysys có thể tính toán cần phải cung cấp đầy đủ bốn thông tin yêu cầu. Bốn tham số cần thiết này bao gồm: Composition (thành phần), flow rate (lưu lượng dòng), temperature (nhiệt độ), pressure (áp suất). Khi đã xác định đủ bốn thông số thì thiết lập được một dòng vật chất, và Hysys sẽ tự động tính toán các thông số khác của dòng.
Thiết lập hai dòng nguyên liệu đầu vào là Metan và Flue Gas với các thông tin như sau:
Bảng 2.3 Thông số của các dòng nguyên liệu
Name Metan
Temperature 25oC
Pressure 1 atm
Molar Flow 1311,17 kgmol/h Component Mole Fraction
C1 1
Hình 2.7 Cửa sổ khai báo các tham số của dòng
• Thiết lập các thiết bị hỗ trợ:
Trong quy trình công nghệ ngoài các dòng vật chất và thiết bị phản ứng là những thành phần chính, thì các thiết bị phụ trợ khác như máy trộn, thiết bị gia nhiệt, máy nén,… cũng là những thành phần không thể thiếu. Chúng có
Name Flue Gas
Temperature 25oC Pressure 1 atm Molar Flows CO2 622.81 kgmol/h H2O 622.81 kgmol/h O2 131,117 kgmol/h
vai trò quan trọng trong điểu tiết lưu lượng; khống chế áp suất, nhiệt độ tới điều kiện mong muốn; cũng như ảnh hưởng tới độ đồng đều khi phối trộn các dòng vật chất.
Máy trộn (Mixer): sử dụng để trộn lẫn hai dòng nguyên liệu ban đầu, đảm bảo sự đồng đều của hỗn hợp nguyên liệu sau khi hòa trộn.
Thiết lập Mixer bằng cách nhấp chọn mô hình mixer trong Object Palette. Kết nối đầu vào của Mixer với hai dòng nguyên liệu Metan và Flue gas, đặt tên cho dòng ra là Mixer Outlet như trong hình 2.8
Hình 2.8 Thiết lập máy trộn
Các thiết bị làm lạnh, gia nhiệt, máy nén, đều cần thiết lập dòng ra, vào tương tự như máy trộn nhưng cần phải có thêm bước cài đặt áp suất hoặc nhiệt độ, trong tab Work sheet cho dòng đi ra tùy theo điều kiện sử dụng:
- Thiết bị gia nhiệt dùng để đưa dòng vật chất có nhiệt độ thấp lên nhiệt độ thích hợp cho phản ứng. Như trong giai đoạn trước khi đưa nguyên liệu vào Tri-reforming Reactor cần gia nhiệt tại Heater cho hỗn hợp nguyên liệu lên tới nhiệt độ phản ứng là 850oC.
- Thiết bị làm nguội có tác dụng giảm nhiệt cho dòng vật chất có nhiệt độ cao xuống nhiệt độ thấp hơn. Tuỳ theo yêu cầu của từng phần trong sơ đồ công nghệ mà ta có các thiết bị làm nguội khác nhau: cooler 1 dùng để giảm nhiệt độ dòng sản phẩm đi ra từ cụm thiết bị tổng hợp DME xuống nhiệt độ phân
tách; cooler 2 dùng để làm lạnh dòng sản phẩm DME sau khi phân tách, cooler 3 có tác dụng hạ nhiệt độ dòng MeOH-H2O trước khi vào thiết bị chưng cất.
- Máy nén (compressor) được dùng để tăng áp suất cho một dòng khí tới áp suất phù hợp cho phản ứng, tùy thuộc thông tin được cung cấp, compressor sẽ tính toán các tính chất của dòng (nhiệt độ hoặc áp suất), hay công suất của máy.
• Xây dựng thiết bị phản ứng:
Trên thanh công cụ Case (Main) Click vào General Reactor, chọn Conversion Reactor. Double click vào thiết bị để nhập tên cho dòng nguyên liệu vào, dòng sản phẩm ra, dòng nhiệt - trong phần Connections, thẻ tab Design.
Hình 2.11 Xây dựng dòng vào- ra và các thuộc tính cho thiêt bị phản ứng
Tiếp tục vào thẻ Reaction, để xác lập loại phản ứng và nhóm phản ứng tiến hành trong thiếy bị. bị
Hình 2.12 Xác lập điều kiện phản ứng trong thiết bị phản ứng
Đến đây, về cơ bản đã cung cấp đủ dữ kiện cần thiết cho một thiết bị phản ứng để Hysys có thể tự động tính toán các giá trị khác. Ngoài ra, trong phần rating Hysys còn có thể giúp người sử dụng xác lập hình dáng và kích thước của thiết bị phản ứng.
Trong quy trình công nghệ sản xuất DME có 3 thiết bị phản ứng và các bước xác lập các thiết bị kia tiến hành tương tự như trên, chỉ khác ở điểm đối với phản ứng Water Gas Shift thì sử dụng thiết bị Equilibrium Reactor.
• Xây dựng cụm phân tách sản phẩm:
Hoàn thành được tất cả các phần trên là ta đã có một quy trình sản xuất DME, tuy nhiên DME tạo ra là ở dạng thô do còn lẫn với hầu như toàn bộ các sản phẩm phụ và các tác chất chưa phản ứng hết. Do đó sản phẩm ra cần được đưa qua một loạt các thiết bị phân tách để nâng cao độ tinh khiết cho DME thành phẩm trước khi đưa vào sử dụng, cũng như thu lại các sản phẩm phụ có giá trị như MeOH hoặc lượng dư của CO, H2 để tiến hành hồi lưu nhờ đó tận dụng hết hiệu quả của nguyên liệu tăng tính hiệu quả về kinh tế cho dây chuyền công nghệ.
Các thiết bị chính sử dụng trong cụm phân tách bao gồm: các tháp chưng luyện có hồi lưu đỉnh và đun sôi đáy tháp: tháp thứ nhất dùng để tách dung dịch MeOH- H2O là các cấu tử nặng ra khỏi hỗn hợp khí; tháp thứ hai có tác dụng tách DME khỏi hỗn hợp khí; thiết bị tách Component Splitter dùng để tách CO2 triệt để ra khỏi hỗn hợp CO-H2. Ngoài ra để tận dụng sản phẩm phụ là MeOH còn cần có thêm tháp chưng cất MeOH để tách nước, thu hồi MeOH cần thiết.
Quy trình thiết lập cho tháp chưng luyện gồm các bước chính sau: chọn biểu tượng Distillation Column trên Oject Pallete, xác lập các dòng vật chất và năng lượng vào ra trong tháp; nhập số đĩa, vị trí nhập liệu, cơ chế hồi lưu sản phẩm đỉnh. Tiếp đó cài đặt áp suất và nhiệt độ cần thiết cho các thiết bị đun sôi và ngưng tụ, tỷ lệ hồi lưu, lưu lượng sản phẩn đỉnh. Bấm phím Run để
phía dưới như trong hình 2.13, bằng không cần phải tính toán lại các thông số cung cấp cho tháp.
Ta cũng cũng có cách tiếp cận khác để khai báo thông tin cho tháp mà không cần biết lưu lượng sản phẩm đỉnh là khai báo thành phần cấu tử hoặc là thành phần các dòng sản phẩm của tháp.
Hình 2.13 Giao diện thiết kế tháp chưng luyện
• Tối ưu hóa sử dụng nhiệt: Nhận thấy rằng dòng nguyên liệu Mixer outlet đi ra từ máy trộn trước khi đi vào thiết bị phản ứng tri-reforming cần được gia nhiệt lên tới nhiệt độ phản ứng là 850oC, mặt khác dòng SynGas đi ra từ thiết bị tri-reforming đang ở nhiệt độ cao lại cần phải làm lạnh tới nhiệt độ phản ứng là tổng hợp DME 275oC. Vì vậy thay vì sử dụng hai thiết bị gia nhiệt và làm nguội riêng biệt, ta có thể tiến hành cho hai dòng vật chất đó trao đổi nhiệt cho nhau, nhờ vậy sẽ tiết kiệm được chi phí sản xuất.
Chọn thiết bị trao đổi nhiệt từ Object Palette, kết nối dòng vào và ra như hình 2.14, có thể tối ưu dạng thiết bị trao đổi nhiệt, độ giảm áp, hệ số truyền nhiệt trong phần Parameters. Sau đó chọn nhiệt độ dòng ra thích hợp, Hysys sẽ tính toán các thông số còn lại.
Hình 2.14 Giao diện thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt
• Sau khi thiết lập, kết nối các dòng và thiết bị lại với nhau Hysys sẽ tiến hành tính toán, nếu cài đặt cho các thiết bị phù hợp thì sơ đồ công nghệ sẽ chuyển thành màu xanh đậm, những phần nào Hysys phát hiện có vấn đề sẽ có thông báo lỗi và vị trí trên sơ đồ công nghệ sẽ chuyển thành màu xanh nhạt. Cần phải tính toán lại các thông số cài đặt xem đã thích hợp hoặc có mâu thuẫn gì với các phần khác không, sau dó cài đặt lại thông số mới và active lại quá trình tính toán để Hysys tiến hành kiểm tra, quá trình lập đi lập lại cho tới khi loại bỏ hoàn toàn các lỗi thiết kế và sơ đồ công nghệ chuyển hết thành màu xanh đậm.
Thực hiện xong các thao tác xây dựng trên, ta được một sơ đồ mô phỏng chung cho dây chuyền sản xuất của nhà máy DME như hình sau.