Để đáp ứng nhu cầu ngày càng lớn các sản phẩm dầu mỏ cả về số lượng và chất lượng, chúng ta phải không ngừng cải tiến về công nghệ và phương pháp sản xuất. Vì vậy, các công trình nghiên cứu khoa học, các dự án thiết kế được tiến hành, và cùng với sự phát triển vượt bậc của ngành công nghệ thông tin, với những máy tính tốc độ cao, các hệ điều hành siêu việt, các lập trình viên đã góp phần to lớn cho sự ra đời của các phần mềm mô phỏng.
Trước đây để lên kế hoạch cho một dự án đòi hỏi rất nhiều thời gian, và khả năng thực hiện dự án đó là khó có thể biết trước được. Nhưng khi các phần mềm mô phỏng ra đời, thì công việc trở nên nhẹ nhàng đi rất nhiều, chúng ta có thể mô phỏng hoạt động của các nhà máy trong các chế độ vận hành khác nhau, thay đổi các thông số làm việc của bất kỳ đơn vị hoạt động nào mà không ảnh hưởng đến quá trình hoạt động chung của nhà máy. Ngoài ra, với những tính năng của các phần mềm mô phỏng ta có thể thiết kế được các dự án khác nhau, tìm được phương án tối ưu, nhanh chóng, cho kết quả khả quan và đạt hiệu quả kinh tế, quan trọng hơn nữa là áp dụng được cho hầu hết các lĩnh vực của ngành dầu khí và các ngành công nghệ hoá học, đảm bảo được tính khả thi cho những kế hoạch lớn sẽ được thực hiện trong tương lai.
Một số phần mềm mô phỏng: - Simsci (PRO/II).
- Hyprotech (HYSIM, HYSYS, HTFS, STX/ACX, BDK). - Bryan research & engineering (PROSIM, TSWEET). - Winsim (DESIGN II for Windows).
- IDEAS Simulation. - Simulator 42. - RSI.
- Chemstations
Trong đó phổ biến nhất là PRO/II, DYNSIM và HYSYS 2.1.2. Giới thiệu về phần mềm Hysys
Hysys là phần mềm chuyên dụng dùng để tính toán và mô phỏng công nghệ được dùng cho chế biến dầu và khí, trong đó các quá trình xử lý và chế biến khí được sử dụng nhiều nhất.
Hysys chạy trên Windows là phiên bản mới của Hysim, phần mềm này trước đây dùng trên hệ điều hành MS Dos.
Hysys là sản phẩm của công ty Hyprotech - Canada thuộc công ty AEA Technologie Engineering Software - Hyprotech Ltd. Là một phần mềm có khả
nhiều thuật toán sử dụng, trợ giúp trong quá trình tính toán công nghệ, khảo sát các thông số trong quá trình thiết kế nhà máy chế biến khí. Ngoài thư viện có sẵn, 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.
2.1.3 Ứng dụng của Hysys
Nhờ có cơ sở nhiệt động học vững chắc và đầy đủ, khả năng thiết kế linh hoạt với độ chính xác cao và tính thiết thực của các hệ nhiệt động cho phép thực hiện các mô hình tính toán rất gần với thực tế.
Hysys là công cụ mô phỏng công nghệ mạnh phục vụ cho nghiên cứu, tính toán thiết kế công nghệ của các kỹ sư trên cơ sở hiểu biết về các quá trình công nghệ hóa học. Hysys đáp ứng các yêu cầu công nghệ nền tảng cơ bảncho mô hình hóa và mô phỏng các quá trình công nghệ từ khai thác tới chế biến trong nhà máy xử lý khí và nhà máy làm lạnh sâu, cho đến các quá trình công nghệ lọc hóa dầu và công nghệ hóa học.
Sử dụng Hysys giúp giảm chi phí chi qui trỉnh công nghệ do có thể tối ưu các thiết bị trong dây chuyền mà vẫn đảm bảo yêu cầu về chất lượng sản phẩm. Hysys cho phép tính toán vấn đề về tận dụng nhiệt, tối ưu được vấn đề năng lượng trong quá trình sản xuất, tuần hoàn nguyên liệu nhằm tăng hiệu suất quá trình.
2.2 Mô phỏng quy trình công nghệ
2.2.1 Các bước chuẩn bị:
• Chuẩn bị sơ đồ qui trình công nghệ:
Chuẩn bị sẵn sơ đồ công nghệ và các thông số đầu vào, đầu ra cần thiết (tên gọi, lưu lượng, áp suất…) các dòng chảy cũng như các thông số vận hành của thiết bị (nhiệt độ, áp suất, dòng chảy vào, ra…)
Hysys là chương trình tính toán rất đa năng và thông minh tuy nhiên để giúp chương trình chạy chuẩn xác thì phải khai báo về phương pháp tính toán nhiệt động, các chất, các cấu tử. Hai khai báo trên là bắt buộc, ngoài ra chúng ta còn có thể có các khai báo khác như khai báo về hệ đơn vị sử dụng, khai báo tính chất (khi cần sử dụng cấu tử mới) v.v... Trong những trường hợp này chúng ta nên khai báo lại hệ đơn vị sử dụng là SI nếu chương trình đang mặc định hệ đơn vị khác.
• Lựa chọn mô hình nhiệt động:
Lựa chọn mô hình nhiệt động thích hợp cho một ứng dụng cụ thể đóng một vai trò rất quan trọng, ảnh hưởng lớn đến độ chính xác của kết quả mô phỏng.
Mỗi phương pháp nhiệt động cho phép tính các thông số sau :
- Hằng số cân bằng pha K: thể hiện sự phân bố cấu tử giữa các pha ở điều kiện cân bằng.
- Enthalpy của các pha lỏng và pha hơi: xác định năng lượng cần thiết để chuyển một hệ từ trạng thái nhiệt động này sang trạng thái khác.
- Enthalpy của các pha lỏng và pha hơi: nhằm phục vụ việc tính toán các máy nén, thiết bị giản nở và năng lượng tự do tối thiểu ở các thiết bị phản ứng. - Tỷ trọng của pha lỏng và pha hơi: để tính toán quá trình truyền nhiệt, trở lực và xác định kích thước tháp chưng cất.
Ngoài ra để lựa chọn mô hình nhiệt động thích hợp còn dựa vào một số yếu tố sau:
- Bản chất của các đặc trưng nhiệt động của hệ như: Hằng số cân bằng lỏng- hơi (VLE: Vapor Liquid Equilibrium) của các quá trình chưng cất, cô đặc hoặc bốc hơi, quá trình trích ly, ...
- Thành phần của hỗn hợp. - Phạm vi nhiệt độ và áp suất.
- Tính sẵn có của các thông số hoạt động của các thiết bị.
Bảng 2.1 Mô tả và cách lựa chọn các mô hình nhiệt động trong Hysys[7]
2.2.2 Những dữ liệu ban đầu
Như đã trình bày trong những phần trước mức 570 ngàn tấn LPG/năm là tổng lượng LPG sử dụng trong một năm và, hỗn hợp synthetic LPG có tỷ lệ khoảng 20% là mức sử dụng để tính toán trong những phần kế tiếp.
Khối lượng riêng của LPG và DME (tấn/m3, 200C):
= 0,53 = 0,67
Thể tích LPG sản xuất một năm: VLPG = = 1075471 (m3/năm)
(m3/năm) Sản lượng DME của nhà máy là:
x 0,67 = 180141 (tấn/năm)
Giả sử nhà máy hoạt động 50 tuần/năm (2 tuần để dự phòng sự cố hoặc sửa chữa bảo trì thiết bị)
Đặc tính và điều kiện của nguyên liệu được chỉ ra dưới đây:
• Methane: - Áp suất: 1atm
- Nhiệt độ: môi trường - Trạng thái: khí
- Thành phần: Methane
• Flue Gas: - Áp suất: 1atm
- Nhiệt độ: môi trường - Trạng thái: khí
- Thành phần: CO2, H2O, O2
2.2.3 Tính toán các giá trị ban đầu cho quá trình mô phỏng
Dựa theo các nghiên cứu[12] thì điều kiện thuận lợi nhất để tiến hành phản ứng tổng hợp trực tiếp DME là ở nhiệt độ từ 230-300oC và áp suất tối ưu là khoảng 5Mpa.
Hình 2.1 Độ chuyển hóa CO dưới ảnh hưởng nhiệt độ trong phản ứng tổng hợp DME và MeOH dưới áp suất 3-5Mpa[12]
Bảng 2.2 Độ chuyển hóa và các phản ứng diễn ra trong từng thiết bị phản
ứng[9],[13]
Thiết bị Phản ứng Chuyển hóa
Tri- CO2 reforming CO2 + CH4 = 2CO + 2H2 CO2: 87% Steam reforming H2O + CH4 = CO + 3H2 H2O: 77%
Reforming
Oxi hóa một phần 1/2O2 + CH4 = CO + 2H2 O2: 100% DME
synthesis
Tổng hợp MeOH CO + 2H2 = CH3OH CO: 60% Dehydrat MeOH 2CH3OH = (CH3)2O + H2O MeOH: 85%
WGS WGS CO + H2O = CO2 + H2 -
Sản lượng DME của nhà máy là F = 180141 tấn/năm
Lưu lượng khối lượng sản phẩm:
Gọi:
X1: lưu lượng CH4 đầu vào quá trình (kgmol/h) X2: lưu lượng CO2 đầu vào quá trình (kgmol/h) X3: lưu lượng H2O đầu vào quá trình (kgmol/h) X4: lưu lượng O2 đầu vào quá trình (kgmol/h)
Giả thiết rằng tỷ lệ thích hợp nhất cho phản ứng[9] là: X1:X2:X3:X4 = 1:0,475:0,475:0,1
• Xét phản ứng dedydrat hóa methanol:
2CH3OH = (CH3)2O + H2O
64,08 46,07
29829 21445
Với DME tạo ra là 21445 kg/h, tính được MeOH tham gia vào phản ứng Dehydrat là: 29836 kg/h
Do độ chuyển hóa methanol là 85% nên tổng MeOH tạo ra trong phản ứng tổng hợp MeOH là: 35092 kg/h
• Xét phản ứng tỗng hợp MeOH:
CO + 2H2 = CH3OH
28,01 32,4
Tính được CO tham gia phản ứng tổng hợp MeOH là: 30678,35 kg/h, do độ chuyển hóa CO là 60% nên lượng CO cần thiết là: 51130,6 kg/h
• Xét phản ứng tạo khí tổng hợp (tri-reforming): CO2 + CH4 = 2CO + 2H2 44,01 56,02 0,87*44,01*X2 48,737*X2 H2O + CH4 = CO + 3H2 18,02 28,01 0,77*18,02*X3 21,567*X3 1/2O2 + CH4 = CO + 2H2 16 28,01 32*X4 56,02*X4 Tổng CO tạo ra từ 3 phản ứng trên là: 48,7374*X2 + 21,5677*X3 + 56,02*X4 = 51130,6 kg/h
Do X1:X2:X3:X4 = 1:0,475:0,475:0,1 nên thay X1 vào phương trình trên ta sẽ được:
38,996X1 = 51130,6
Từ đó tính được các ẩn số ban đầu:
Đây là các thông số đầu vào cần thiết để có thể bắt đầu tiến hành quá trình mô phỏng.
2.2.4 Tiến hành mô phỏng
2.2.4.1 Xây dựng cơ sở mô phỏng
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