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 Hysys để mô phỏng công nghệ PENEX/DIH phân xưởng isomer hóa của nhà máy lọc dầu Dung Quất. Để bắt đầu tiến hành mô phỏng tính toán cho một quy trình công nghệ của một nhà máy 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, sau khi khởi động phần mềm ứng dụng Hysys ta thực hiện các bước sau:
- Bước 1: 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.
Hình 3.1 Thiết lập đơn vị nhiệt động
- Bước 2: 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 3: (Bước 3 chỉ thực hiện khi bước 2 chọn thiết lập một quy trình mới) Tạo New Fluid Package hoặc chọn một Fluid Package đã có sẵn từ trước. Khi tạo New Fluid Package cần cung cấp thông tin về hệ nhiệt động dùng để tính toán trong tab Prog Pkg và thành phần các cấu tử có mặt trong toàn bộ quá trình mô phỏng trong tab Components. 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. Ta lựa chọn hệ phương trình nhiệt động Peng - Robinson.
Hình 3.2 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...
Hình 3.3 Lựa chọn cấu tử
- 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 3.4 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 qua trang 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 Hysys để mô phỏng công nghệ PENEX/DIH của phân xưởngĐồng phân hóaĐồng phân hóaĐồng phân hóa 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 3.5 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. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- 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 [2]
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.
a) Cụm Feed Driers (DR-2303/2304)
Ta tiến hành nhập các thông số cho dòng nguyên liệu Naphta (201). Vì trong công nghệ PENEX/DIH có dòng hồi lưu 549 từ tháp DIH về cụm Feed Driers nên ta cũng nhập các thông số giả cho dòng này.
Hình 3.7 Nhập các thông số cho dòng 549RCY
Cả hai dòng này được hợp lại với nhau tại thiết bị MIX-1 trở thành dòng 304 đi đến thiết bị hấp phụ bằng rây phân tử (xúc tác PDG-418) DR-2303/2304.
Do thiết bị hấp phụ này không có trong các biểu tượng mô phỏng nên để mô phỏng thiết bị hấp phụ ta có thể lựa chọn bằng thiết bị Component Splitter. Sản phẩm ra gồm có dòng nguyên liêu đã tách triệt để nước và nước bị hấp phụ. Trong tab Splits ta chọn thành phần dòng nước bị hấp phụ chỉ là nước.
Hình 3.8 Biểu diển thiết bị hấp phụ DR-2303
Dòng 309 đi ra từ DR-2303 đến D-2301 được bơm P-2301A/B nâng áp lên 37.01 kg/cm2.
Hình 3.9 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.
b) Cụm Make-up Gas
Nhập các thông số cho dòng Make-up Gas 113 đi vào thiết bị hấp phụ DR- 2301/2302.
Hình 3.10 Nhập các 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 3.11 Biễu diễn cách mô phỏng thiết bị DR-2301
Dòng 327 đi ra từ MIX-2 lần lượt qua 2 thiết bị trao đổi nhiệt E-2306, E-2307 để tận dụng nhiệt dòng sản phẩm đi ra từ hai thiết bị phản ứng: R-2302 và R-2303.
Hình 3.12 Biễu diễn cách mô phỏng thiết bị trao đổi nhiệt E-2306
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 và đi vào thiết bị phản ứng R-2302.
Hình 3.13 Biễu diễn cách mô phỏng thiết bị gia nhiệt E-2308
c) Cụm thiết bị phản ứng
•Khai báo trong phản ứng: - Chọn loại phản ứng cân bằng:
Hình 3.14 Biếu diễn cách chọn loại phản ứng
Hình 3.15 Biểu diễn các phản ứng có trong quá trình
Hình 3.16 Biểu diễn cách khai báo phản ứng
Hình 3.17 Biểu diễn cách mô phỏng đối với thiết bị phản ứng R-2302
Sản phẩm của R-2302 sẽ tiếp tục thực hiện quá trình isomer hóa tại thiết bị phản ứng thứ hai R-2303.
Hình 3.18 Biểu diễn cách mô phỏng đối với thiết bị phản ứng R-2303 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
d) Tháp Stabilizer (T-2301)
Đối với tháp tách T-2301vì nó có thiết bị đun sôi đáy tháp và thiết bị ngưng tụ đỉnh nên chọn thiết bị mô phỏng là Distillation Column. Ta cũng nhập đầy đủ các
tên gọi của dòng nhập liệu vào. Mục đích của tháp T-2301 là tách triệt để các cấu tử nhẹ ra khỏi hỗn hợp, trong trường hợp này cấu tử khóa nhẹ là nC4 còn cấu tử khóa nặng là iC5.
Tính số đĩa lý thuyết cho tháp: Theo thực tế vận hành nhà máy thì tháp T-2301 có 30 đĩa thực tế. Ta mô phỏng một tháp có 30 đĩa, khảo sát các thông số tại đĩa nạp liệu, đĩa số 1 và đĩa số 30.
Ta tính hiệu suất tháp theo đĩa nạp liệu, đĩa số 1 và đĩa số 30. Áp dụng giản đồ Q2-IFP của enspm:
Áp dụng công thức sau: CV CV CV x y K = CL CL CL x y K = µ CL CV K K A =
Từ hệ số A, dựa vào giản đồ Q2 ta sẽ tra được hiệu suất sử dụng đĩa Bảng kết quả :
Đĩa yCV yCL xCV xCL KCV KCL µ A
1 0.25 0.041 0.366 0.09 0.682 0.45 0.12 0.182
15 0.074 0.233 0.043 0.21 1.715 1.11 0.11 0.17
30 0.018 0.43 0.008 0.328 2.248 1.31 0.088 0.151
Tra giản đồ ta có hiệu suất sử dụng đĩa: H = 77% Số đĩa lý thuyết: Nlt = Ntt . H = 30 x 77% = 23.1
Vậy số đĩa lý thuyết của tháp là 24 đĩa.
Khai báo các thông số thiết kế cho tháp Stabilizer như sau: - Số đĩa lý thuyết của tháp: 24 đĩa.
- Áp suất đỉnh 14.8 kg/cm2 và áp suất đáy 15 kg/cm2 và không có tổn thấp áp suất trong Reboiler.
Nhưng trong thiết bị này có độ tự do (Degrees of Freedom) DOF = 2 hay ta cần phải thiết lập thêm 1 ràng buộc để cho tháp có thể hoạt động được.
Ràng buộc đối với tháp Stabilizer:
- Sản phẩm lỏng ra khỏi đáy tháp có lưu lượng: 49880 kg/h. - Phần trăm của i-C5 ở đỉnh = 1.5.10-3.
Hình 3.19 Biểu diễn các thông số thiết kế đối với tháp T-2301
Hình 3.20 Biểu diễn các ràng buộc đối với tháp T-2301
Dòng sản phẩm đỉnh đi ra từ Stabilizer sẽ qua van giảm áp VLV-101 trước khi đi vào thiết bị Net Gas Scrubber.
Hình 3.21 Biễu diễn cách mô phỏng van VLV-101
Dòng sản phẩm đáy trước khi vào tháp DIH sẽ được tân dụng nhiệt để gia nhiệt cho dòng 596 tại thiết bị E-2312.
Hình 3.22 Biễu diễn cách mô phỏng thiết bị trao đổi nhiệt E-2312
e) Cụm Net Gas Scrubber
Vì mục đích của thiết bị này là tách loại HCl ra khỏi thành phần dòng khí bằng nước và dòng NaOH 14%wt nên ta chọn thiết bị Component Splitterlà phù hợp. Dòng khí sau khi tách loại HCl sẽ đến Fuel Gas.
Hình 3.23 Biễu diễn cách mô phỏng thiết bị T-2302
f) Tháp DIH (T-2303)
Đối với tháp tách T-2303 tương tự thì nó cũng có thiết bị đun sôi đáy tháp và thiết bị ngưng tụ đỉnh nên chọn thiết bị mô phỏng là Distillation Column. Ta cũng nhập đầy đủ các tên gọi của dòng nhập liệu vào. Mục đích của tháp T-2303 là tách triệt để các cấu tử nặng là đồng phân của hexane có chỉ số Octane thấp ra khỏi hỗn hợp, trong trường hợp này cấu tử khóa nhẹ là 2,3-Mbutane còn cấu tử khóa nặng là 2-Mpentane.
Tính số đĩa lý thuyết cho tháp: Theo thực tế vận hành tháp T-2303 có 80 đĩa thực tế. Ta mô phỏng một tháp có 80 đĩa, khảo sát các thông số tại đĩa nạp liệu, đĩa số 1, đĩa số 70, đĩa số 71 và đĩa số 80. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Ta tính hiệu suất tháp theo đĩa nạp liệu, đĩa số 1, đĩa số 30, đĩa số 70 và đĩa số 71.
Tương tự ta áp dụng giản đồ Q2-IFP của enspm: Và công thức sau: CV CV CV x y K = CL CL CL x y K = µ CL CV K K A =
Bảng kết quả: Đĩa yCV yCL xCV xCL KCV KCL µ A 1 0.286 0.036 0.32 0.07 0.895 0.51 0.11 0.193 25 0.418 0.107 0.27 0.122 1.55 0.88 0.102 0.182 70 0.205 0.201 0.13 0.178 1.574 1.13 0.122 0.17 71 0.113 0.257 0.065 0.218 1.742 1.18 0.12 0.177 80 0.009 0.47 0.004 0.37 2.131 1.27 0.101 0.17
Tra giản đồ ta có hiệu suất sử dụng đĩa: H = 79% 1. Số đĩa lý thuyết: Nlt = Ntt . H = 80 x 79% = 63.2 Vậy số đĩa lý thuyết của tháp là 64 đĩa.
Khai báo các thông số thiết kế cho tháp DIH như sau: - Số đĩa lý thuyết của tháp: 64 đĩa.
- Áp suất đỉnh 1,3 kg/cm2 và áp suất đáy 2,4 kg/cm2 và không có tổn thấp áp suất trong Reboiler.
Cũng tương tự như ở tháp Stabilizer, nhưng trong tháp DIH có trích dòng hồi lưu về cụm Feed Driers nên trong thiết bị này ta cần phải thiết lập thêm 1 ràng buộc nữa để cho tháp có thể hoạt động được.
- Ràng buộc1: Sản phẩm lỏng ra khỏi đáy tháp có lưu lượng: 3417 kg/h. - Ràng buộc2: Lưu lượng ra của dòng hồi lưu: 85450 kg/h.
Hình 3.24 Biểu diễn các thông số thiết kế đối với tháp T-2303
Hình 3.25 Biểu diễn các ràng buộc đối với tháp T-2303
Dòng sản phẩm đỉnh đi ra từ DIH sẽ lần lượt qua các thiết bị E-2317, P- 2312A/B rồi đến thiết bị chia dòng TEE-101 làm hai dòng 567 và dòng 582.
Hình 3.26 Biểu diễn cách mô phỏng thiết bị TEE-101
Thiết bị phân dòng TEE-101 tách thành hai dòng: một dòng đi làm sản phẩm isomerate và dòng còn lại đi làm dòng tái sinh.
3.3. ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
Quá trình mô phỏng được tiến hành theo các số liệu trong bản vẽ PFD của phân xưởng, nên số liệu kết quả mô phỏng so với thực tế là tương đối chính xác, tuy nhiên vẫn có những sai số nhất định trong quá trình mô phỏng. Nguyên nhân chính là do chọn một số thiết bị mô phỏng chưa sát với thực tế và trong thiết bị phản ứng ta chưa khai báo hết được các phản ứng phụ khác.
3.3.1. Sản phẩm ISOMERATE
Sau khi mô phỏng xong, ta thu được sản phẩm Isomerate có thành phần như sau:
Bảng 3.1 Thành phần của sản phẩm isomerate thu được sau khi mô phỏng
Cấu tử yi(%V) RONi BRONi
i-C4 1,93.10-7 100 100 n-C4 8,09.10-5 94 113 i-C5 0,29 93 100 n-C5 5,45.10-2 61.8 62 CP 1,42.10-3 101.3 141 2,2-DMB 0,24 91.8 89
2,3-DMB 5,52.10-2 104.3 96 2-MP 0,11 73.4 82 3-MP 3,6.10-2 74.5 86 n-C6 1,8.10-2 24.8 19 MCP 8,4.10-2 91.3 107 CH 7,78.10-2 84 110 BZ 0 120 99 2-MH 3,2.10-3 42.4 40 3-MH 2,9.10-3 52.3 56 3-EP 0 65 64 2,2-DMP 1,53.10-3 93 89 2,3-DMP 4,62.10-3 91.9 88 2,4-DMP 4,6.10-4 83,1 76 3,3-DMP 1,1.10-3 80.8 84 n-C7 1,63.10-3 0 0 MCH 1,24.10-2 75 104 1,1-MCP 1,7.10-3 92.3 96 TLU 0 120 124 2,2,4-MP 0 100 100 Tính RON của sản phẩm [7]
RON của sản phẩm isomerate được xác định theo công thức sau:
i i N i i G K RON y RON ∑ = = 1 Trong đó :
yi: phần trăm thể tích của các cấu tử có mặt trong isomerate. RONi: chỉ số octan đo được của các hydrocacbon tinh khiết. Ki: Hệ số được xác định theo công thức:
∑ ∑ = = × = N i i i N i i i i i i RON y BRON y BRON RON K 1 1
BRONi: Chỉ số octane đo được trong hốn hợp của mỗi hydrocarbon
Dựa vào công thức trên ta tính được:
RONG = 86,7
Từ kết quả trên, RON của sản phẩm isomerate thu được sau khi mô phỏng gần phù hợp với giá trị RON thực tế của công nghệ PENEX/DIH đưa ra (87-89).
3.3.2. Cân bằng vật chất tại các cụm thiết bị thiết bị chính3.3.2.1. Cụm thiết bị phản ứng3.3.2.1. Cụm thiết bị phản ứng3.3.2.1. Cụm thiết bị phản ứng (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});