Đề tài: Nghiên cứu điều khiển công nghệ trộn hóa chất bằng PLC
Bao cao Pro II
1. - 1 -
Mục lục
TỔNG QUAN VỀ PRO/II
I./ Giới Thiệu Phần Mềm Pro/II
II./ Bảy bước sử dụng phần mềm PROII
III./ Sơ đồ một quy trình dùng phần mềm PRO/II
IV./ Nhập dữ liệu và chọn thuật toán
V./ Kiểm tra độ tin cậy của kết quả
VI./ Một số công cụ hỗ trợ
CHI TIẾT CÁC THIẾT BỊ
A. FLASH
1./ Giới thiệu
2./ Phương pháp tính toán
3./ Flash drum
B./ SHORTCUT
1./ Giới thiệu tổng quan
2./ Phương pháp tính toán
3./ Phân loại mô hình chưng cất:
4./ Phân loại
C./ DISTILLATION
1./ Thuật toán Inside Out
2./ Thuật toán Chemdist
3./ Thuật toán Eldist
4./ Tính toán thuỷ động lực học cho tháp chưng c ất
5./ Tốc độ và kích thước của tháp đĩa
D./ SIDE COLUMN
1./ Giới thiệu
2./ Phân loại:
3./ Phương pháp tính toán:
E./ CALCULATOR
1./ Giới thiệu
2./ Phân loại:
3./ Phương pháp tính toán:
F./ OPTIMIESR
G./ CASESTUDY
2. - 2 -
VÍ DỤ
Bài toán 1
Bài toán 2
Bài toán 3
Bài toán 4
TỔNG QUAN VỀ PRO/II
I. Giới Thiệu Phần Mềm Pro/II
PRO/II là phần mềm của công ty SIMSCI, dẫn đầu trong lĩnh vực mô phỏng công
nghệ từ năm 1967. Công ty SIMSCI là thành viên của Intelligent Automation Division,
thuộc công ty Invensys (website: http://www.simsci-esscor.com ), hoạt động trong lĩnh
vực điều khiển tự động, cung cấp các phần mềm ứng dụng trong công nghệ lọc hoá dầu,
thực phẩm, năng lượng,…
Phần mềm PRO/II là phần mềm mô phỏng trợ giúp các kỹ sư công nghệ hoá học,
dầu khí, Polimer…Từ việc tách ra dầu và khí đến những quy trình chưng cất, PRO/II kết
hợp những tài nguyên dữ liệu của thư viện thành phần hóa học rộng lớn và phương pháp
dự đoán thuộc tính nhiệt động tiên tiến nhất. PRO/II là công cụ tính toán dễ dàng các cân
bằng vật chất và năng lượng, nhằm mô phỏng quy trình ở trạng thái ổn định; theo dõi, tối
ưu hóa, cải thiện năng suất…
Có thể vào trang chủ PRO/II để biết chi tiết về phần mềm,cách dùng và nhiều hổ
trợ khác, có thể đăng kí mua bản PRO/II.
II. Bảy bước sử dụng phần mềm PROII
Sự mô phỏng kết quả tới Desktop được thực hiện qua 7 buớc:
1./ Vẽ sơ đồ quy trình sản xuất:
Lựa chọn hoạt động đơn vị thích hợp từ PRO/II từ những biểu tượng thích hợp, trỏ
vào nút biểu tượng, kích chuột, và thả đơn vị trong phạm vi hoạt động bằng cách kích lần
nữa. Xác định rõ những dòng bằng cách chọn nút STREAM, kích chuột cho đầu vào và ra
mỗi đơn vị công nghệ.
2./ Định rõ những thành phần:
Kích nút biểu tượng những thành phần để vào một danh sách tất cả các thành phần
trong quá trình. Chọn từ hơn 1,700 thành phần đuợc xây dựng trong cơ sở dữ liệu của
SIMSCI bằng cách đánh vào tên thành phần hoặc lựa chọn từ danh sách đuợc xác định
trước đó.
3./ Lựa chọn những phương thức Tính toán nhiệt động
Kích nút sơ đồ pha để chọn những phương thức nhiệt động từ danh sách những
phương thức thường sử dụng, khái quát hóa, phương trình trạng thái, phương thức chất
lỏng hoạt động, và những gói dữ liệu đặc biệt.
4./ Định rõ những dòng được nhập liệu:
3. - 3 -
Nhấn đúp vào mỗi dòng nhập liệu ngoài để cung cấp dữ liệu dòng ( lưu luợng
chảy, thành phần, nhiệt độ, áp suất ).
5./ Cung cấp những điều kiện cho Quy trình
Nhấn đúp vào mỗi biểu tượng đơn vị hoạt động trong sơ đồ qui trình sản xuất , và
cung cấp dữ liệu ( những vùng dữ liệu đuợc phác thảo màu đỏ). Khi nhập dữ liệu quá
trình, vùng dữ liệu thay đổi màu từ đỏ đến xanh.
6./ Chạy mô phỏng
Một lần bạn cung cấp tất cả dữ liệu đuợc yêu cầu và không còn nhìn thấy những
vùng đỏ, vậy là bạn sẵn sàng để chạy sự mô phỏng
7./ Xem kết quả:
Sau khi chạy xong quá trình mô phỏng, bạn có thể xem lại những kết quả và xếp
thành bảng sử dụng báo cáo để in mặc định hoặc trực tiếp trong Excel.
III./ Sơ đồ một quy trình dùng phần mềm PRO/II
IV - Nhập dữ liệuvà chọn thuật toán
1./ Nhập dữ liệu:
Khi nhập dữ liệu cần chú ý đến tính hợp lý các thông số công nghệ thực tế, do thiết
bị có thể bị hư hỏng và cho kết quả sai mà không biết. Chương trình muốn hội tụ thì các
thông số phải tương ứng và hài hoà với nhau. Một thông số không hợp lý làm quá trình
tính toán không hội tụ mà không rõ nguyên nhân.
Quá trình nhập dữ liệu chỉ cần nhập một phần các giá trị cần thiết, các thông số
còn lại được tính toán khi chạy chương trình.
Thông số được chia ra làm 3 loại:
Thông số không đổi: là thông số giữ cố định trong suốt quá trình tính
toán như áp suất, nhiệt độ, lưu lượng dòng trích ngang…
Lựa chọn mô hình
nhiệt động
Nhập dữ liệu ban đầu
Hội tụ
Phân tích kết quả
Kết quả
Không hội tụ
Không phù hợp
Có
Phù hợp
4. - 4 -
Thông số ước lượng : là thông số phải khai báo hoặc không cần khai
báo tuỳ ý. Đối với thông số này, bộ tính toán xem như là giá trị đầu của
thuật toán lặp, kết quả tính toán có thể khác so với giá trị ước lượng ban
đầu. Tuy nhiên kết quả ước lượng phải gần kề với giá trị kết quả thì
chương trình mới hội tụ.
Thông số không cung cấp: là thông số không cần nhập, được phần
mềm quy định.
Khi nhập xong dữ liệu vào, ô thông số chuyển sang màu xanh. Nếu dữ kiện vẫn
còn thiếu thì ô có màu đỏ và cần bổ sung cho khi nào chuyển sang màu xanh thì mới được
chạy chương trình.
2./ Chọn thuật toán:
Trong quá trình lặp, PRO/II cần các giá trị ban đầu của thông số, từ đó PRO/II tự
động ước lượng bằng công cụ IEG dựa trên các thông số đã cung cấp. IEG sử dụng hai
thuật toán lặp I/O và Chemdist trong PRO/II. Khi mô phỏng quá trính chưng cất dầu mỏ
thì I/O thường được sử dụng vì giải nhanh và phù hợp cho các hệ hydrocacbon.
Phương pháp tính lặp I/O (inside/outside): chia công việc tính toán thành hai vòng
lặp, vòng lặp nội và vòng lặp ngoại.Vòng lặp nội PRO/II giải các phương trình của cột
chưng cất: phương trình cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt và điều kiện biên. Vòng lặp nội
dùng phương pháp tính gần đúng nên xác định các biến số rất nhanh.
Sau khi vòng lặp nội đã hội tụ (sai số giữa hai lần lặp đạt yêu cầu) thì PRO/II
chuyển sang tính vòng lặp ngoại. Tại vòng lặp ngoại, sẽ tính các giá trị như K (độ bay hơi
tương đối ), H (enthalpy) dựa trên kết quả vòng lặp nội về thành phần, nhiệt độ. Việc tính
toán các phương trình nhiệt động có thể chiếm tới 80% thời gian tính toán vì đây là các
phương trình phức tạp về thành phần và áp suất.
PRO/II chia làm hai vòng lặp nội và ngoại để giảm số lần giải các phương trình
nhiệt động, trong đó có vòng lặp nội tính toán gần đúng.
Lưu đồ tính toán của phương pháp I/O
Khi chương trình không hội tụ, có nhiều nguyên nhân dẫn đến không hội tụ:
Chuẩn bị số liệu gần
đúng K*, H*
L
Tính lặp các phương
trình Cột [Inside]
X, T, L, Q ...
Tính chính xác K,
HL
Kết quả
Outside
5. - 5 -
Thông số đầu vào không chính xác, dữ kiện bị thiếu hoặc quá chặc chẽ nên
không thực hiện được.
Do mô hình không hợp lý như không đủ số mâm lý thuyết, thuật toán chọn
sai, bộ tính toán tính chất không phù hợp…
Do thông số mặc định cho phần mềm không thích hợp: mặc dù quá trình hội
tụ nhưng không đủ số vòng lặp nên không có đáp số, do vậy cần phải tăng thêm
số vòng lặp tối đa cho phép hoặc giảm hệ số “damping”
Sai số khắc khe, khó đạt được …
V./ Kiểm tra độ tin cậy của kết quả
Khi đã phân tích kết quả và thấy mô hình tính toán phù hợp qui trình thực tế thì
kiểm tra độ tin cậy của kết quả tính toán bằng cách :
Thay đổi bộ tính toán tính chất (phải phù hợp với hệ đang mô phỏng).
Thay đổi cấu tử giả của dòng nhập liệu
Khi tăng số cấu tử giả mà kết quả tính toán chênh lêch không đáng kể thì
phải lấy kết quả mới chính xác hơn .
Nói chung bước kiểm tra độ tin cậy không nhất thiết phải được thực hiện nếu
không có mối nghi ngờ nào.
VI./ Một số công cụ hỗ trợ
Bộ phận ngưng tụ:
Sản phẩm đỉnh từ tháp có bộ phận ngưng tụ tương tự như sản phẩm từ reflux
accumulator drum.
Việc lựa chọn bộ phận ngưng tụ tuỳ thuộc vào các yếu tố:Thành phần,Nhiệt độ bay
hơi, nhiệt độ làm việc, nhiệt độ quá lạnh, độ giảm nhiệt độ quá lạnh.
Bộ phận đun lại(nồi đun lại)
Thường được tự mặc định dạng tiêu chuẩn(kettle):được xây dựng dựa trên năng
suất của mâm đáy củ tháp với sản phẩm cân bằng lỏng là sản phẩm đáy.
Đối với thuật toán I/O và I/O mở rộng, ta có thể dùng các dang sau: nồi đun lại có
điều chỉnh lưu lượng và ồi đun lại không điều chỉnh lưu lượng.
Đối với các thuật toán khác thì chỉ có thể dùng nồi đun lại tiêu chuẩn
Lưu ý:
Những nồi đun lại có điều chỉnh lưu lượng(nồi đun lại sẽ đưa dòng lại bồn chứa
của nồi đun và chảy tràn vào bồn chứa sản phẩm) thì tương tự nồi đun không điều chỉnh
lưu lượng về mục đích mô phỏng và được tạo mẫu như nhau
Các cài đặt của thermosiphon nồi đun:
+Thành phần của dòng lỏng hồi lưu của nồi đun
+ Nhiệt độ của dòng hồi lưu
+ Nhiệt độ thay đổi khi đi qua nồi đun
+ Tốc độ quay vòng của nồi đun
Bộ phận làm nóng, làm mát:
6. - 6 -
Các bộ phận này được đi kèm với máy bơm, năng suất âm dùng để chỉ quá trình
làm mát, năng suất dương cho quá trình làm nóng. Không có giới hạn về số lượng của các
bộ phận này.
Đối với mỗi bộ phận làm nóng, làm mát, cần khai báo các thông số sau: số mâm,
tên, năng suất.
CHI TIẾT CÁC THIẾT BỊ
A./ FLASH
1./ Giới thiệu:
Thiết bị phân tách cân bằng pha mô phỏng các hoạt động dựa trên sự cân bằng
pha. Có thể dùng để mô phỏng 1 số thiết bị cân bằng đơn giản như thiết bị bốc hơi, thiết
bị lắng gạn,thiết bị cô đặc.
2./ Phương pháp tính toán:
Pro/II chứa những phần tính toán cho những trạng thái cân bằng tách chẳng hạn
như flash drums , mixers, valves, splitters. Flash calculations cũng thường được dùng để
xác định trạng thái nhiệt động của mỗi dòng vào cho một số đơn vị vận hành. Đối với
Flash Calculation cho một dòng, ở đây có số cấu tử và 3 bậc tự do. Ví dụ nhiệt độ và áp
suất của tách đẳng nhiệt. Hơn nữa, đối với tất cả các đơn vị vận hành, Pro II cũng có thể
biểu diễn 1 Flash Calculation trên dòng sản phẩm tại điều kiện đầu ra.Sự khác biệt
enthalpy của dòng sản phẩm và dòng vào là năng lượng của đơn vị vận hành.
Hệ thống các phương trình:
Tổng cân bằng vật chất: 1 2F V L L
Cân bằng vật chất từng cấu tử: 1 1 2 2i i i iFz Vy L x L x
Cân bằng:
1 1
2 2
2
1 2
1
i i i
i i i
i
i i
i
y K x
y K x
K
x x
K
7. - 7 -
Tóm lại:
1
2
0
0
i i
i i
i i
i i
y x
y x
Cân bằng năng lượng:
1 1 2 2f v L LFH Q VH L H L H
3./ Flash drum
Đơn vị của Flash drum có thể được vận hành với những thông số điều kiện , đẳng
nhiệt điểm sương, điểm sôi khác nhau…Điểm sôi cũng có thể đựơc xác định cho pha
hydrocacbon hay pha nước . Điểm cao hơn điểm sương cũng có thể được xác định cho
tổng dòng. Ngoài ra, đối với 1 số dòng tổng quát đặc biệt như tốc độ cấu tử hay đặc tính
dòng cụ thể chẳng hạn như sulfur có chứa áp suất và nhiệt độ.
B- SHORTCUT
1./ Giới thiệutổng quan:
Shortcut được sử dụng trong tính toán sơ bộ để xác định số bậc cần thiết đối với 1
sự phân tách cho trước. Việc tính toán dựa trên quy trình cổ điển Fenske-Gilliland-
Underwood, được làm thích ứng để xử lý các bộ ngưng tụ 1 phần hay toàn phần. Ta nên
sử dụng các mô hình tính toán nhanh trong các giai đoạn đầu của tính toán sơ đồ để hội tụ
các dòng hoàn lưu 1 cách dễ dàng hơn, bởi các thông số sẽ luôn luôn được thoả mãn ngay
cả khi việc định kích thước có vấn đề.
Pro/II điều khiển phương pháp tính toán chưng cất shortcut nhằm xác định trạng
thái làm việc của tháp như phân tách cấu tử, số đĩa cực tiểu, tỉ số hồi lưu tối thiểu. Thiết
bị Shortcut giả thiết rằng luợng trung bình của chất dễ bay hơi có thể được xác định. Quy
trình Fenske đuợc dùng để tính toán hiệu suất và số đĩa cực tiểu cần thiết. Tỉ số hồi lu tối
thiểu đuợc xác định bởi phương pháp Underwood. Quy trình Gilliland đuợc dùng để tính
số đia lý thuyết yêu cầu, tỉ lệ dòng hồi lưu thực tế. Đồng thời phương pháp này cũng xác
định chức năng của thiết bị ngung tụ và đun sôi để có thể đem lại tỉ số hồi lưu thấp nhất.
Cuối cùng, quy trình Kirkbride dùng để xác định vị trí nhập liệu tối ưu.
Shortcut là 1 phương pháp rất có ích cho những ai lần đầu thiết kế những đồ án
thực tế. Phương pháp này có nhược điểm là không hoạt động đối với một số hệ thống.
Đối với hệ thống gần như không lý tửơng, shortcut sẽ cho kết quả rất xấu hoặc không có
8. - 8 -
kết quả. Trong các trừơng hợp tháp có nhiều chất dễ bay hơi khác nhau shortcut cũng sẽ
cho kết quả rất xấu.
Các chế độ làm việc của thiết bị ngưng tụ có thể chọn sao cho phù hợp:
Partial: ngưng tụ 1 phần
Mixed: ngưng tụ hỗn hợp
Bubble Temperature : ngưng tụ ở nhiệt độ sôi(chọn)
Subcooled, Fixed Temperature : nhiệt độ quá lạnh
Subcooled, Fixed Temperature Drop : độ giảm nhiệt độ quá lạnh
2./Phương pháp tính toán
Quy trình Fenske:
Mối quan hệ giữa tốc độ hoá hơi giữa cấu tử i và cấu tử j trên mỗi đĩa trong tháp được
thể hiện qua phương trình sau
N
i
N
j
N
i
N
i
N
jj
N
N
i
K
K
xy
xy
/
/
với x: thành phần mol trong pha lỏng
y: thành phần mol trong pha hơi
chỉ số i, j tương ứng với cấu tử i và j
chỉ số N là số đĩa phản ứng.
Đối với những tháp có độ bay hơi giữa các cấu tử chênh lệch rất nhỏ, ta có thể
định nghĩa độ bay hơi trung bình. Đó sẽ là giá trị trung bình độ bay hơi của sản phẩm
đỉnh và sản phẩm đáy.
1tb N
ij ij ij
Số đĩa lý thuyết tối thiểu được tính theo công thức:
,,
, ,
min
log .
log
j Bi D
j D i B
tb
ij
xx
x x
N
Quy trình Underwood:
Giá trị của độ bay hơi của các cấu tử trong dòng nhập liệu quyết định cấu tử nào
nhẹ cấu tử nào nặng. Cấu tử nhẹ là cấu tử dễ bay hơi và ngược lại.
Nếu ta đặt αj là độ bay hơi tương đối trung bình của cấu tử j:
j
j
lk
K
K
với j là cấu tử khóa
αj =1 : cấu tử khóa
αj > 1 : cấu tử nhẹ hơn cấu tử khóa
αj<1 : cấu tử nặng hơn cấu tử khóa
Phương pháp Underwood được dùng để xác định tỉ số hồi lưu cần thiết ứng với số
mâm là vô cùng để tách hoàn toàn cấu tử khoá. Đối với 1 tháp có số mâm là vô cùng,quá
trình chưng cất sẽ tách loại hoàn toàn cấu tử nặng hơn cấu tử khóa. Tương tự, sản phẩm
9. - 9 -
đáy sẽ loại hết cấu tử nhẹ hơn cấu tử khóa. Đối với những cấu tử có độ bay hơi ở khoảng
giữa hai cấu tử nặng nhẹ và sẽ được phân bố giữa sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy.
Phương trình được phát biểu bởi Shiras cũng có thể được dùng để xác định chỉ số
hồi lưu tối thiểu nếu chọn được cấu tử khóa chính xác :
, , ,
, , ,
1
1 1
j D j lk jlk D hk D
j F lk lk F lk hk F
x D x D x D
x F x F x F
Quy trình Kirkbride:
Vị trí đĩa nhập liệu tối ưu được xác định bởi phương trình Kirkbride:
2
, ,
, ,
log 0.206log hk F lk B
lk F hk D
x xm B
p D x x
Với m là số đĩa lý thuyết phía trên đĩa nhập liệu.
p là số đĩa lý thuyết phía dưới đĩa nhập liệu.
Tương quan Gilliland:
Tương quan Gilliland được Pro II sử dụng để dự đoán mối quan hệ giữa số đĩa tối
thiểu và chỉ số hồi lưu tối thiểu để tìm ra chỉ số hồi lưu thực và số đĩa lý thuyết phù hợp.
Điểm phản ứng được người sử dụng chọn như điểm giữa hệ thống đĩa và dòng hổi
lưu. Dựa trên tỉ số hồi lưu phù hợp, chế độ làm việc của đỉnh tháp sẽ đựơc tính toán và
kết hợp xác định cho thiết bị ngưng tụ. Bộ phận đun sôi được tính toán từ phương trình
cân bằng nhiệt.
3./ Phân loại mô hình chưng cất:
Hai dạng được sử dụng trên ProII là: mô hình tiêu chuẩn và mô hình tinh chế.
Mô hình tiêu chuẩn:
Được mặc định sẵn trong ProII.
Chế độ dòng hoàn lưu tổng được cài
đặt sẵn trong tháp
Mô hình tinh chế:
Tháp tính tóan nhanh bao gồm 1 dãy
các tháp có 1 dòng nhập liệu và 2 dòng sản
phẩm bẳt đầu từ phần ở đáy.
Không có hồi lưu giữa các phần
4./ Phân loại:
Simple column
Là tháp mà chỉ có 1 dòng nhập liệu
được đưa vào tháp ở vị trí giữa nồi đun và
thhiết bị ngưng tụ.
Chỉ được áp dụng cho pp chưng cất
nghiêm ngặt
Complex column
Là tháp có nhiều hơn 2 sản phẩm, 2
mẫu chưng cất được ứng dụng cho
complex column
Tháp tinh chế sản phẩm nặng: cực
kì phù hợp cho dạng mẫu chưng cất thứ 2
C./ DISTILLATION
Đối với hầu hết các hệ, SimSci thường sử dụng thuật toán I/O. Khi 1 bài toán có thể sử
dụng nhiều hơn 1 thuật toán thì thuật toán I/O thường hội tụ nhanh hơn.
10. - 10 -
1./ Thuật toán Inside Out :
Thuật toán này trong PROII dựa trên một bài viết của Russell vào năm 1983. Thuật
toán này chứa một số thuộc tính mới mẻ đã góp phần tạo nên tính chất hội tụ tuyệt vời của nó.
Thuật toán này được chia ra với 2 vòng lặp là vòng lặp trong và vòng lặp ngoài.
Ở vòng lặp trong thì nhiệt, vật chất, và những đặc tính thiết kế kĩ thuật được giải quyết.
Những mô hình nhiệt động đơn giản cho enthalpy và giá trị độ bay hơi tương đối K được sủ
dụng trong vòng lặp trong. Cùng với những mô hình đơn giản thì sự lựa chọn biến ban đầu
cho phép vòng lặp trong giải quyết một cách chính xác và đáng tin cậy.
Ở vòng lặp ngoài những thông số của mô hình nhiệt động đơn giản được cập nhật dựa
trên những thành phần mới và kết quả của quá trình tính toán nhiệt động chặt chẽ. Khi nào mà
giá trị các giá trị Enthalpy và K tính được phù hợp với mô hình nhiệt động đơn giản và các
đặc tính thiết kế kĩ thuật được thỏa mãn thì thuật toán được giải quyết xong.
Những biến đầu tiên trong vòng lặp trong là những yếu tố stripping và yếu tố dòng hồi
lưu. Những phương trình của một vòng lặp trong bao gồm phương trình cân bằng enthalpy
cho các đĩa và phương trính của các đặc tính thiết kế chi tiết kĩ thuật. Yếu tố stripping được
định nghĩa như sau:
b
j
K V
Sj
L
Trong đó:
Sj : yếu tố Stripping của giai đoạn j
V : lượng hơi rời khỏi đĩa
L : lượng lỏng rời khỏi đĩa
Kb : giá trị K của mô hình nhiệt động
Vòng lặp trong giải hệ phương trình sau:
1 1 2 3 n
2 1 2 3 n
1 2 3 n
1 2 3 n
,S ,S ,...,S , 0
,S ,S ,...,S , 0
....
,S ,S ,...,S , 0
,S ,S ,...,S , 0
k
k
n
k
k
k
LSS
H f S
L
LSS
H f S
L
LSS
H f S
L
LSS
SP f S
L
Trong đó Hj : Nhiệt cân bằng cho mỗi mâm.
SPk : các đặc tính thiết kế chi tiết kĩ thuật
Hệ phương trình này được giải bằng phương pháp Newton-Raphson.
Vòng lặp ngoài:
Vòng lặp ngoài trong thuật toán này cập nhật dữ liệu từ những thông số của các mô
hình nhiệt động đơn giản và kiểm tra sự hội tụ. Ở vòng lặp trong, những phương trình chưng
cất được tính toán cho mô hình nhiệt động hiện hành. Kiểm tra sự hội tụ trong vòng lặp ngoài
so sánh với những tính toán chặt chẽ các giá trị enthalpy và các giá trị cân bằng lỏng hơi K từ
những thành phần mới ( kết quả tính toán từ vòng lặp trong).
11. - 11 -
Giá trị ban đầu K b trên mỗi đĩa được tính như sau :
i
i
ln lnK
lnK
1
b i
i
i
i
i
i
K w
t
w
t
ti
T
2./ Thuật toán Chemdist
Chemdist là 1 thuật tóan mới được SimSci phát triển để tính toán mô phỏng cho hệ có
độ lí tưởng không cao. Chemdish là phương pháp thuần Newton Raphson với việc phân tích
đầy đủ những phát sinh, bao gồm phát sinh trong hoạt động và trong hệ số nhớt. Chemdish
cho phép 2 pha lỏng được tạo thành trên bất kì đĩa nào trong tháp và cung cấp cấu hình của 2
pha lỏng ngưng tụ. Chemdish với những phản ứng hóa học cho phép thủ tục In-Line cho
những phản ứng phi động lực học .
Chemdish trong Pro/II là phương pháp Newton phù hợp để giải quyết những vấn đề
chưng cất phi lí tưởng liên quan đến 1 số lĩnh vực trong hóa hoc. (nhỏ khoảng 10%). Những
điều kiện này là những va chạm chung trong chưng cất như chống lại phân đoạn thô khi mà lẽ
ra nên lựa chọn phương pháp I/O. Chemdish dùng để giải quyết tốt cả vấn đề cân bằng hơi-
lỏng và cân bằng hơi- lỏng- lỏng như 1 phản ứng hóa học.
Biểu đồ cân bằng đĩa cho trường hợp chưng cất 2 pha không có phản ứng hóa học.
Những biểu thức được miêu tả như sau :
Cân bằng vật chất:
12. - 12 -
, 1, 1,
, 1 1 1 1 , 1,
i j i j i jX X YD D L V
i j i i i i i j i jM e Vi e L L e V V f f
Cân bằng năng lượng:
1 1 11 1 1 1 1
1
L V L V FL FV
D D L V
i i i i i ii i i i i i i i i iE L H V H L L H V V H Q F H F H
i NT
Cân bằng lỏng –hơi:
, , , ,lnK
1 ; j 1
i j i j i j i jQ Y X
i NT NC
Số phân mol:
,
,
1 1
1 1
1
1
i j
i j
NT NL
X
i
i j
NT NC
Y
i
i j
S e
S e
Trong đó:
Fi : tổng dòng nhập liệu ở mâm thứ i
Li : tổng dòng lỏng từ mâm thứ i
Vi : I tổng dòng khí từ mâm thứ i
Qi : nhiệt cung cấp cho mâm thứ i
Ti : nhiệt độ mâm thứ i
Xi,j = ln(xi,j) phân mol của lỏng
Yi,j = ln(yi,j) phân mol của khí
NC : số cấu tử
NT : số đĩa
3./ Thuật toán Eldist
Eldish là dạng mở rộng của Chemdish áp dụng cho mẫu chưng cất dung dịch chất điện
li. Nó được giải quyết nhờ sử dụng nhóm phần mếm thứ 3 từ hệ thống OLI. Máy tính tính
toán trực tiếp giá trị độ bay hơi tương đối K mà đã được chuyển hóa thành K cân bằng. Sau
đó Eldish dùng giá trị này để tính toán cân bằng lỏng- hơi.
Thuật toán Eldist trong pro/II là sự kết hợp của phương pháp Newton được sử dụng
trong Chemdist để giải phương trìh MESH và giải quyết phương trình riêng cho pha lỏng
được mô tả trong mô hình toán Section – Electrolyte.
Thuật toán cơ bản: Phương trình Mesh được giải quyết nhờ thuật toán Newton-
Raphson tính toán lặp vòng ngoài, trong khi phương trình riêng cho pha lỏng với giá trị K thì
được tính toán bằng pp lặp vòng trong.
Lặp vòng trong: nhập các thông số mẫu nhiệt độ, áp suất , phân mol của cấu tử pha
lỏng và pha khí. Nhiệt độ , áp suất và phân mol pha lỏng thì cần cho việc tính toán thông số
và độ nhớt cho của pha lỏng. Còn phân mol pha khí thì cần để tính giá trị K và gia trị K phát
sinh ước tính
Vòng lặp ngoài: Mẫu lặp vòng ngoài được giải theo thuật toán Newton
Có 2 cấu tử + 3 phương trình và 2 cấu tử + 3 ẩn trên mỗi đĩa lí thuyết. Những biến đổi
độc lập trên mỗi đĩa là:
13. - 13 -
o ln(x), phân mol lỏng
o ln(y) phân mol khí
o đĩa pha lỏng L1
o đĩa pha khí V1
o nhiệt độ đĩa T1
Những phương trình để giải trên mỗi đĩa là
Cân bằng cấu tử:
( , ) 1, 1 ( 1, ) ( 1) ( , ) ( , )( ( ) ( ))
( , )( ( ) ( )) 0
mb n j x n j L n y n j V n f n j y n j V n Sv n
x n j L n SL n
Cân bằng lỏng –hơi:
ln( ( , )) ln( ( , )x( , )) 0y n j k n j n j
Cân bằng năng lượng:
( ) ( ) ( ) ( 1) ( 1) ( 1) ( 1) ( ( ) ( )) ( ) ( ( )
( )) ( ) ( ) 0
Eb n F n Hf n V n H n L n H n V n SV n H n L n
SL n h n Q n
Cân bằng theo x:
( ) ( , ) 1 0
j
SX n x n j
Cân bằng theo y:
( ) y( , ) 1 0
j
SY n n j
4./ Tính toán thuỷ động lực học cho tháp chưng cất
Pro II chứa những phương pháp tính toán cho tốc độ và kích cỡ của tháp đĩa, và cho
những mô hình tháp đệm được đệm với vật liệu bất kì hay vật liệu có cấu trúc.
Tháp đĩa được chọn nhiều hơn tháp đệm để ứng dụng cho những trường hợp tốc độ
của lỏng lớn. Trong khi đó tháp đệm thích hợp hơn tháp đĩa trong trường hợp chưng cất chân
không và cho những trường hợp có sự ăn mòn.Tất cả các tính toán cho tháp đĩa và tháp đệm
đều yêu cầu biết độ nhớt động học. Thông số độ nhớt động học sẽ là cơ sở để người dùng lựa
chọn các công cụ tính toán nhiệt động lực học phù hợp
5./ Tốc độ và kích thước của tháp đĩa
Tháp đĩa bao gồm van, tháp đĩa lỗ, tháp đĩa nhập liệu sôi ở đỉnh được Pro/II mô hình
hoá và sử dụng như là 1 công cụ tính toán thử nghiệm.Quy trình đựơc phát biểu bởi Glitsch
dùng để ước tính năng suất hoặc chế độ dòng chảy, chênh lệch áp suất của van thuỷ lực. Đối
14. - 14 -
với tháp đĩa lỗ hoặc đĩa nhập liệu sôi ở đỉnh, năng suất được ước tính là 95% và năng suất
tương ứng là 85% đối với van.
Năng suất:
Năng suất của tháp đĩa được định nghĩa bằng yếu tố năng suất lượng hơi không chứa
lỏng. Đồ thị được dùng để đạt tới yếu tố năng suất yêu cầu dựa trên khoảng cách giữa các đĩa
và tỷ trọng hơi.
Sự sôi trên các đĩa cũng được xét đến như là 1 yếu tố hệ thống. Bảng sau cho ta thấy
các yếu tố hệ thống được dùng để tính toán chính xác yếu tố năng suất hơi
Để thiết kế tháp đĩa ta tính toán phần trăm các dòng để tìm kích thước đừơng kính
tháp, lượng hơi cần sử dụng.
Lượng hơi cần sử dụng được định nghĩa như sau:
0.5
/load G L GV ACFS
Vload : dung lượng hơi
ACFS (actual vapor volumetric flow rate): thể tích thực của hơi ước lượng trước
G: tỷ trọng hơi
15. - 15 -
L: tỷ trọng lỏng
Độ giảm áp
Đối với van, tháp đĩa lỗ, tháp đĩa tầng sôi độ giảm áp toàn bộ là tổng của độ giảm áp
trên tháp khô và độ giảm áp gây ra do lỏng bị nghẽn trên đĩa.
dry lP P P
Với ∆P là độ giảm áp tổng (trên 1 thể tích)
Pdry là độ giảm áp trên đĩa khô
Pl là độ giảm áp do lỏng trên đĩa gây ra.
Độ giảm áp trên đĩa khô được xác định dựa vào đồ thị thể hiện quan hệ giữa độ giảm
áp do trọng lượng của van tại dòng hơi có tốc độ thấp và bình phương tốc độ ban đầu của
dòng hơi có tốc độ cao .
a. Độ giảm áp trên đĩa khô
Đối với tháp đĩa lỗ, phương pháp Fair được dùng để xác định độ giảm áp trên
đĩa khô theo phương trình:
2
2
0.186
.G G
dry
v L
v
P
C
Với C là hệ số chảy tràn
G là tốc độ ban đầu trên bề mặt hơi
Đối với tháp đĩa tầng sôi, độ giảm áp trên đĩa khô được tính bằng phương pháp
Bolles:
0.2
0.4
2
22
1.20
.sh G G G
dry G
v L G L
h v
P K v
C
Với : hsh chiều cao tầng sôi
Hệ số đỉnh khô K2 trong phương trình trên là 1 hàm số theo tỷ lệ vòng của vùng ống
đứng.
b. Độ giảm áp của lỏng
Đối với tháp đĩa van thủy lực, độ giảm áp của lỏng được tính theo công thức
sau:
2
3
0.4 w
w
L
P h
l
Với L tốc độ toàn bộ dòng lỏng trong tháp (gpm)
lw chiều dài van (inch)
hw chiều cao van (inch)
Đối với tháp đĩa lỗ hay tháp đĩa tầng sôi độ giảm áp của lỏng được tính theo
phương trình”:
l dsP h
16. - 16 -
Dùng cho tháp đĩa lỗ:
2
hg
ds w ow
h
h h h
Dùng cho tháp đĩa tầng sôi:
2
hg
ds s ow
h
h h h
Với : hds tính toán chiều cao của chất lỏng tinh khiết ở đĩa trên cùng (động học đặc
trưng)
hs chiều cao cột chất lỏng gây ra áp suất tĩnh
how chiều cao phần đỉnh trên van
hhg gradient thuỷ động lực học chảy màng
D- SIDE COLUMN
1./ Giới thiệu
Những tháp sử dụng thuật toán Inside-Out hay Sure thì thường được gán thêm tháp
phụ, tháp này có thể đóng vai trò tháp chưng sơ bộ hay tháp ngưng tụ. Tháp phụ có dòng nhập
liệu từ tháp chính và hồi lưu sản phẩm về tháp chính. sản phẩm cuối cùng sẽ đựơc lấy từ tháp
phụ.
Tháp phụ được lắp đặt vào hệ thống trong màn hình chính của PFD. Các tháp này
được xây dựng và cái đặt bàng cách double-click vào biểu tượng của nó trên PFD.Các cửa sổ
nhập thông số của tháp phụ giống các cửa sổ nhập thông số của tháp ngoại trừ 1 số đặc điểm
không liên quan.
2./ Phân loại:
Tháp phụ đóng vai trò tháp phân tách:
Tháp phân tách phụ được sử dụng rộng rãi để kiểm soát điểm phân tách của các sản
phẩm lỏng như diesel, xăng,và kerosene. Các sản phẩm này được lấy từ tháp chính và đưa
vào đĩa đỉnh của thiết bị phân tách ( tổng số đĩa của thiết bị khoảng 6-10 đĩa)
Môi trường phân tách (thường là hơi nước) được đưa vào ở đáy tháp để phân tách
khoảng 10% dòng lỏng nhập liệu (pha nhẹ nhất). Dòng này sau đó sẽ được đưa lại về tháp
chính. Dòng lỏng sau khi đã được phân tách (sản phẩm) sẽ được lấy ra ở đáy tháp phân tách
phụ.
Sự khác nhau trong thiết kế của tháp phân tách phụ sẽ tuỳ thuộc vào việc sử dụng nồi
đun, dùng để đun dòng lỏng nhập liệu. Tháp phân tách thường không có các bộ phận ngưng
tụ,bơm hay bộ phận làm nóng ,làm lạnh.
Chỉ có thuật toán Sure mới cho phép sử dụng bộ phận ngưng tụ cho tháp phân tách
phụ.
Tháp phụ đóng vai trò tháp ngưng tụ:
Tháp ngưng tụ phụ được dùng để loại các thành phần nặng của sản phẩm đỉnh. Sản
phẩm hơi từ đỉnh tháp chính sẽ được đưa vào đáy tháp phụ (tổng số tháp phụ thường rất lớn).
17. - 17 -
Tháp ngưng tụ phụ thường cần có bộ phận ngưng tụ hay làm mát ở đỉnh để làm ngưng tụ
dòng hồi lưu.
Sản phẩm cuối được thu lấy từ đỉnh của tháp ngưng tụ. Dòng lỏng từ đáy tháp ngưng
tụ phụ sẽ được đưa về lại tháp chính.
Tháp ngưng tụ phụ có cấu tạo và chức năng tượng tự như bộ phận ngưng tụ của tháp
chưng cất tiêu chuẩn. Hiệu suất mâm có thể lên đến 45-55% trong nhiều quá trình. Tháp
ngưng tụ thường không có bơm, bộ phận làm nóng, làm mát, đặc biệt là không bao giờ có nồi
đun.
Ví dụ:
Bộ phận làm nóng Q3 đặt ở mâm thứ 13 được dùng để đun nóng lại dòng thô tới nhiệt
độ cần thiết để đưa vào nhằm đạt được sản phẩm như mong muốn.
18. - 18 -
Trong ví dụ này, các flows và compositions được cung cấp từ dòng 1, 9 và 10 trong
mục lục dữ liệu dòng. dòng 6 là dòng được đưa trở lại từ thiết bị phân tách phụ.
Tháp chính có các cài đặt là tốc độ dòng lỏng gasoline nhẹ và tốc độ lỏng từ mâm 12.
Tháp ngưng tụ và bộ phận làm nóng ở mâm 13 là các biến số được thay đổi để thoả các cài
đặt trên.
Dòng 5 ra từ tháp chính tới tháp phân tách được xác định bởi tháp phân tách nhằm thoả
các cài đặt cho dòng Naphthan nặng
Dòng thô được đưa vào tháp ở trạng thái lỏng tại điều kiện ra từ nồi đun. Vì vậy,
nhiệm vụ ước tính cho Q3 sẽ liên quan tới nồi đun dòng thô. Nhiệt độ của mâm 13 sẽ đặc
trưng cho điều kiện của môi trường phân tách.
3./ Phương pháp tính toán:
Thuật toán Insde-Out gắn tháp phụ vào tháp chính để dùng cho việc tính toán. Phương
pháp này có nghĩa là SPECs và VARYs cho tháp chính và tháp phụ không cần được cân
bằng, dù cho SPECs và VARYs của toàn bộ hệ thống tháp phải cân bằng.
Thuật toán Sure giải quyết tháp phụ như là 1 tháp riêng trong quá trình hồi lưu/
phương pháp này tốn nhiều thời gian hơn và đòi hỏi SPECs và VARYs cho tháp chính và mỗi
tháp hụ đều phải cân bằng.
Thuật toán Chemist không sử dụng cho tháp phụ.
E./ CALCULATOR :
1./ Giới thiệu
19. - 19 -
Calculator là một module rất linh hoạt, nhiều tiện ích và được sử dụng thường
xuyên trong quá trình mô phỏng quy trình công nghệ.
Các thông số cho quá trình tính toán được lấy từ quy trình và việc tính toán sử
dụng ngôn ngữ FORTRAN.
Tính năng cơ bản của Calculator :
- Tính toán tính chất của các dòng đặc biệt
- Mô phỏng một số thiết bị như bình phản ứng
- Xác định điều kiện vận hành
- Kết quả tính toán từ số liệu của quy trình công nghệ
- Tính toán chi phí hoặc lợi nhuận kinh tế
- Phục vụ cho công cụ Controller và là hàm mục tiêu của công cụ Flowsheet
optimizers.
Tiện ích của Calculator phụ thuộc nhiều vào người sử dụng.
Calculator gồm 2 phần chính : Setup và Procedure.
- Setup : truy xuất thông số của thiết bị và dòng được từ sơ đồ quy trình ; gán các
hằng số ; thiết lập các chuỗi cho dòngra và dòngvào ; xác định kích thước của các mảng
chế độ làm việc và có thể mở rộng nếu muốn.
- Procedure : thể hiện các phép tính được viết theo ngôn ngữ FORTRAN, cho
phép thực hiện các chức năng tính toán, mở rộng hay tính lặp. Một số hàm có thể truy
xuất thành phần và tính chất của dòng từ sơ đồ quy trình. Các chương trình con đặc biệt
giúp ta tính ra kết quả trực tiếp từ dòng lưu chất. Kết quả từ Calculator được sử dụng
cho việc vận hành các thiết bị khác trong quy trình.
2./ Cài đặt Calculator:
* Cửa sổ Calculator :
Nhấn vào Edit/View Declarations trong cửa sổ Calculator để mở View Area
20. - 20 -
Click vào nút bấm Parameters… để nhập các thông số từ sơ đồ quy trình cho
Calculator. Những thông số này sẽ được truy cập vào Calculator procedure như là các
phần tử của ma trận P.
Click tiếp vào Calculatorparameterđể mở cửa sổ Definition để xác định rõ thông
số từ dòng hay thiết bị trong quy trình.
Click vào nút bấm Constants… để nhập các hằng số sử dụng trong quá trình tính
toán. Những hằng số này sẽ được truy cập vào Calculator procedure như là các phần tử
của ma trận C. Tuy các hằng số có thể nhập trực tiếp trong quá trình viết code ở phần
procedure, nhưng ma trận C giúp ta tập hợp tất cả những hằng số để có thể thay đổikhi
cần.
21. - 21 -
Click vào nút bấm Results… để nhập tên cho các kết quả tính toán. Những giá trị
này sẽ được truy cập vào Calculator procedure như là các phần tử của ma trận R và
được dùng trong báo cáo kết quả đầu ra.
Click vào nút bấm Arrays… để khai báo độ lớn cho các ma trận sử dụng trong
Calculator, bao gồm ma trận P, C, R đã khai báo trước đó và ma trận IS được dùngtrong
việc sử dụng giữ các biến của dòng lưu chất.
22. - 22 -
Click vào nút bấm Stream Sequence… để thiết lập trật tự cho các dòng. Bảng này
có 2 chức năng chính : kết nối thông tin dòngchảy giữa các procedurevà các dòng trong
sơ đồ quy trình ; kiểm soát vòng lặp trong quá trình thực hiện thủ tục.
Khi hoàn thành việc khai báo trong Setup, click Hide Declarations để đóng cửa
sổ View Area.
3./ Calculator Procedure :
Đây là phần bắt buộc trongviệc lập trình cho Calculator. Các dòng lệnh theo ngôn
ngữ FORTRANđược nhập trực tiếp vào Procedure trong cửa sổ chính của Calculator.
* Một số điểm lưu ý :
- Mỗi hàng lệnh chứa tối đa 80 ký tự, ta có thể sử dụng kí hiệu “&” đặt ở cuối
hàng lệnh để biểu thị sự nối tiếp với hàng lệnh dưới tiếp theo.
- Tất cả các dòng lệnh, trừ lệnh PROCEDURE, có thểđược bắt đầu bằng một dãy
số từ 1 đến 99999
- Những ký tự phía sau dấu “$” được xem là chú thích thêm.
* Các biến số đã được định nghĩa sẵn :
23. - 23 -
Các biến này bao gồm kích thước cho các ma trận. Ta có thể dùng lệnh
DIMENSION trong phần Calculator setup để đặt lại số phần tử của mỗi ma trận.
* Một số dạng thường dùng :
• An
Trong đó A là một trong các ma trận C, P, V, R hay B và n là một số nguyên chỉ
ra số phần tử đơn của ma trận đó.
• A(index)
Trong đó A là một trong các ma trận C, P, V, R hay B và (index) là một biểu thức
được đặt trong ngoặc đơn. A(n) ≈ An
Variable Name
and Form
Default Dimension
(for arrays)
Description and Comments
Cn or C(index) 1<=n<=50
Constant values defined in the setup section.
Used only on the right side of assignment
statements.
Pn or P(index) 1<=n<=50
Flowsheet parameters set by DEFINE
statements. Used only on the right side of
assignment statements.
Vn or V(index) 1<=n<=200
A floating-point work array used on either
the left or right side of assignment statements.
These elements are initialized to a large
negative value and are not available outside the
calculator.
Rn or R(index) 1<=n<=200
The array of calculator results, used on either
side of assignment statements. This results
vector is available to other flowsheet modules
external to the Calculator. These elements are
initialized to a large negative value.
IXn or IX
(index)
0<=n<=9
An array of integer values. The form
ioIX(index) is invalid on a DO statement. It
may be used on either side of assignment
statements.
ISn 0<=n<=9
An array of elements used as indices of DO
loops for stepping through a series of streams in
the order defined on the SEQUENCE
statement.
ISOLVE
This variable indicates whether or not the
Calculator solved. It is initialized to 0 upon
each entry into the calculation procedure. The
user assigns all subsequent values using an
assignment statement.
0 - The Calculator has not yet executed
(default) or has solved successfully.
1 - The Calculator solved.
2 - The Calculator did not solve, but continue
flowsheet calculations within a recycle loop.
3 - The Calculator did not solve, all
calculations stop unconditionally.
4 - The Calculator solved; but stop all
subsequent flowsheet calculations. This sets the
flowsheet solution flag to ‘SOLVED’.
MAXC Total number of components in the problem.
24. - 24 -
MAXS Maximum number of streams in the problem.
Một số hàm cơ bản trong FORTRAN :
Function Description
Arguments
Type of Result
Number Type
ABS
DIM
EXP
INT
LOG
LOG10
MIN
MAX
MOD
NINT
SQRT
SIN
COS
TAN
ASIN
COS
ATAN
SINH
COSH
TANH
Absolute Value
Positive Difference
Exponential e
Truncation
Natural Logarithm
Common Logarithm
Minimum Value
Maximum Value
Remainder Nearest
Integer
Square Root
Sine (radians)
Cosine (radians)
Tangent (radians)
Arc Sine (radians)
Arc Cosine (rad)
Arc Tangent (rad)
Hyperbolic Sine
Hyperbolic Cosine
Hyperbolic Tangent
1
2
1
1
1
1
>=2
>=2
2
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
real
real
real
real
real
real
real
real
real
real
real
real
real
real
real
real
real
real
real
real
real
real
real
integer
real
real
real
real
real
Integer
real
real
real
real
radian
radian
real
real
real
real
Một số hàm được sửdụng trong Pro/IIcho phép ta truy xuất các tính chất và thành
phần của dòng.
Function Description of Property
Pure Component Properties
CMW(cno)
CNBP(cno)
CSPGR(cno)
CTC(cno)
CPC(cno)
CVC(cno)
COMEGA(cno)
Molecular weight
Normal boiling temperature
Specific gravity (60F/60F)
Critical temperature
Critical pressure
Critical volume, cc/gm-mole
Acentric factor
Properties of Components in Streams
SCMF(cno,sid)
SCWF(cno,sid)
SCVF(cno,sid)
SCMR(cno,sid)
SCWR(cno,sid)
SCLVR(cno,sid)
SCGVR(cno,sid)
Molar fraction of component in stream
Weight fraction of component in stream
Standard liquid volume fraction
Molar rate of component in stream
Weight rate of component in stream
Standard liquid volume rate of component
Standard gas volume rate of component
Stream Properties
SMR(sid)
SWR(sid)
SLVR(sid)
SGVR(sid)
Mole rate of stream
Weight rate of stream
Standard liquid volume rate of stream
Standard gas volume rate of stream
25. - 25 -
STEMP(sid)
SPRES(sid)
Stream temperature
Stream pressure
Trong bảng trên, “cno”là số thành phần số nguyên có thể được cố định hay thay
đổi ; “sid” là danh tính của dòng hoặc giá trị ISn.
* Chương trình con xác định thuộc tính dòng :
nn CALL SRXSTR(type, value, sid) : yêu cầu SRXSTR lưu phần tử vector từ
calculator thành thuộc tính của dòng“sid”. Giá trị được phải được tính toán cùng hệ đơn
vị của dòng nhập liệu.
type : xác định thuộc tính dòng cần lưu giữ. Một số thuộc tính cơ bản :
Type = Description
SMR
SWR
SLVR
SGVR
STEMP
SPRES
mole rate of stream
weight rate of stream
standard liquid volume rate
standard gas volume rate of stream
stream temperature
stream pressure
value : cung cấp hoặc xác định giá trị thuộc tính cần lưu trữ ; value có thể là biến
cố định hoặc thay đổi.
sid : xác định dòng cần lưu trữ thuộc tính.
Ví dụ : CALL SRXSTR(STEMP, R(14), SR4)
Lệnh trên yêu cầu lưu giá trị thứ 14 trong ma trận R là nhiệt độ của dòng SR4.
nn CALL SRVSTR(type, array, sid, i, j) : yêu cầu SRVSTR lưu giữ các giá trị
đại diện cho thuộc tính các dòng thành phần từ ma trận trong Calculator vào dòng bất
kỳ.
type : xác định các thành phần, thuộc tính để lưu giữ. Một số thuộc tính cơ bản :
Type = Description
SCMR
SCWR
SCLVR
SCGVR
molar rate of component in stream
weight rate of component in stream
component standard of liquid volume rate
component standard gas volume rate
array: phần tử đầu tiên của ma trận biến thực chứa giá trị cần lưu giữ thành những
thuộc tính của các thành phần trong 1 dòng.
sid : xác định dòng cần lưu trữ thuộc tính.
i , j : là số hiệu của thành phần, lần lượt là thành phần đầu, cuốicủa thuộc tính cần
lưu trữ.
Ví dụ : 100 CALL SRVSTR( SCWR, V(12), FD1, 2, 5 )
Lệnh trên yêu cầu lưu trữ phần tử V(12) - V(15) là lưu lượng của dòng FD1, là
các thành phần được đánh số từ 2 đến 5.
Một vài lệnh khác :
nn GOTO mm
nn CONTINUE
IF (expression)
DO Loops
nn DO mm iname= i, j, k – bắt đầu vòng lặp DO, I và j lần lượt là chỉ số
đầu và cuối ; k là bước tăng dần và được mặc định là 1.
26. - 26 -
nn DO mm ISn= sid1, sid2 – vòng lặp cho phép mở rộng phạm vi, thông
qua label.
OPEN – mở một file để xuất kết quả từ Calculator.
nn OPEN(FILE=fileide, ACCESS=OVERWRITE orAPPEND)
WRITE and FORsMAT Statements
nn WRITE (*, format) expression, expression, ...
nn FORMAT (item, item, ...)
Còn rất nhiều lệnh khác, ta có thể tham khảo thêm trong Userguide.
F./ OPTIMIZER :
Công cụ Flowsheet Optimizer có thể tiến hành việc cực đại hay cực tiểu hàm mục
tiêu bằng cách thay đổimột hay nhiều biến trong sơ đồ quy trình công nghệ đến khi đạt
được yêu cầu (hội tụ). Ta có thể chọn lựa nhiều ràng buộc cho giá trị cực đại hay cực
tiểu.
Hàm mục tiêu có thể là tiêu chuẩn vận hành như để thu được lượng sản phẩm là
lớn nhất hay tổn thất ít nhất, hoặc tiêu chuẩn về kinh tế như lợi nhuận cực đại hay chi
phí thấp nhất. Để có thể tối ưu các mục tiêu về kinh tế, ta phải bổ sung thêm công cụ
Calculatortrong sơ đồ quy trình để tính lợi nhuận hay tổn thất, sau đó mới sử dụng công
cụ Optimizer để cực tiểu hay cực đại kết quả từ Calculator (hàm mục tiêu).
* Hàm mục tiêu :
Ta tiến hành việc xác định hàm mục tiêu là cực tiểu hay cực đại trong cửa sổ
Optimizer. Nhập hàm mục tiêu bằng cách nhấp vào chữ Parameter được gạch dưới để
mở cửa sổ Parameter. Hàm mục tiêu có thể là 1 tham số của sơ đồ quy trình hoặc là một
biển thức toán học liên qua đến 2 tham số khác nhau của sơ đồ quy trình.
* Biến số :
Biến số của quá trình được nhập vào bằng cách click vào chữ Variables. Trong
cửa sổ Parameter, xác định thông số sẽ thay đổi, tương tự như trong việc xác định hàm
mục tiêu. Đốivới biến số cho dòng hay thiết bị, ta phải nhập vào giá trị cực tiểu và cực
đại.
* Kích thước bước tiến và giới hạn :
Click vào default step sizes trong cửa sổ Optimizer để mở cửa sổ Variable Step
Sizes. Ở đây, step sizes (kích thước bước tiến) đã được mặc định là 1.0, (giá trị mặc định
có thể thay đổi), ta có thể nhập vào kích thước bước tương đối hay tuyệt đối cho mỗi
bước tính lặp.
* Specifications có thể được nhập thêm vào để làm biến điều khiển.
Click vào Specifications… trong cửa sổ Optimizer để mở cửa sổ Specifications.
Check vào Use Specifications để có thể nhập các tham số cho mỗi SPECification.
SPECification có thể là 1 tham số của quy trình hoặc là 1 biểu thức toán học liên quan
đến 2 tham số khác nhau. Kế tiếp, ta nhập các giá trị và sai số cho quá trình tính.
* Constraints (ràng buộc) : giới hạn các biến số trong phạm vi sử dụng.
Click vào Constraints… trong cửa sổ Optimizer để mở cửa sổ Constraints. Check
vào Use Specifications để có thể nhập các tham số cho mỗi CONStraint. Trong cửa sổ
Parameter cho phép ta xác định dòng hay thiết bị dùng cho ràng buộc, tương tự như
Specifications.
* Các chọn lựa khác :
27. - 27 -
Có rất nhiều chọn lựa cho việc thiết lập công cụ Optimizer được chỉ ra bằng cách
click vào Options… trong cửa sổ chính Optimizer.
- Số vòng lặp :
Số vòng lặp mặc định của Pro/II là 18 cộng với số biến hiện tại. Tuy nhiên ta có
thể thay đổisố vòng lặp theo ý muốn bằng cáchcheck vào Specified Number và nhập số
vòng lặp.
- Scaling of Optimization Variables :
Theo mặc định, công cụ Optimizer tính theo phương pháp hội tụ. Các mức có thể
được thay đổ bằng cách check vào Use Scaling trong cửa sổ Optionsđể bỏ chọn. Khi đó
giá trị mặc định cho kích thước bước tiến trong cửa sổ VariableStep Sizes sẽ tăng từ 2%
lên 5%.
- Sai số chung cho các biến số (Overall Error in any Variable):
Giá trị sai số ngầm định cho các biến là 10-7. Ta có thể thay đổi nếu muốn bằng
cách nhập vào ô tương ứng.
- Thay đổi tương đối nhỏ nhất (Minimum Relative Change in Objective
Function)
Giá trị mặc định là 0.005. Ta có thể thay đổi bằng cách nhập vào ô tương ứng
trong cửa sổ Options.
* Advanced Options :
Click vào Advanced Options… để thêm vào các chọn lựa cho côngcụ Optimizer,
nhưng điều này không cần thiết đốivới những người chưa có kin nghiệm sử dụng Pro/II.
Còn một số lựa chọn khác để nâng cao hiệu quả cho công cụ Optimizes, ta có thể
tham khảo thêm trong User’s Guide.
G./ CASE STUDY :
1./ Giới thiệu :
VÍ DỤ
Bài toán 1:Tháp chưng cất liên tục với mâm xuyên lỗ, phân tách ở áp suất thường 10
tấn/h hỗn hợp lỏng chứa 50% khối lượng benzen và 50% khối lượng Toluen.Nồng độ benzen
trong sản phẩm đỉnh là 96% khối lượng và nồng độ sản phẩm đáy là 98% khối lượng Toluen.
Nhập liệu vào ở nhiệt độ sôi. Tính và chọn tháp.
Các bước tiến hành ví dụ
I/ Xác định số đĩa lý thuyết
Dùng thiết bị shortcut để xác định số đĩa lý thuyết
Bước 1: Vẽ sơ đồ tiến hành như sau:
28. - 28 -
Bước 2: Nhập các cấu tử trong hệ
Nhấp vào biểu tượng trên thanh công cụ, nhập cấu tử như sau:
Bước 3: Nhập phương trình nhiệt động.
Tùy vào từng trường hợp mà ta chọn mô hình nhiệt động cho thích hợp.
Nhấp vào biểu tượng , rồi chọn mô hình nhiệt động :
29. - 29 -
Bước 4: Nhập dữ liệu cho dòng vào shortcut:
Double click vào dòng S1:
-Trong discription: nhập mô tả dòng : Feed
-Chọn Compositions defined ở mục Stream Type
- Nhấp vào Flowrate and Composition
- Nhập thông số như sau:
30. - 30 -
Bước 5: Nhập dữ liệu cho thiết bị
-Double click vào thiết bị.
-Chọn Minimum reflux, đánh dấu chọn Perform Minimum Reflux Calculation
như sau
-Trong Specifications :
31. - 31 -
-Trong mục Products :
Bước 6 : Chạy mô phỏng
- Nhấp vào biểu tượng trên thanh công cụ.
- Lưu đồ chuyển sang màu xanh như sau :
32. - 32 -
Bước 7 : Xuất kết quả ra màn hình.
-Lưu bằng chế độ Save as
-Nhấp vào biểu tượng
Trích dẫn :
Bước 8 : Từ mối tương quan của N*(R+1) với R/Rmin ước đoán được số đĩa lý thuyết
Chọn số đĩa là 13, nhập liệu vào đĩa số 6.
33. - 33 -
II/ Tính toán cho thiết bị Distillation:
-Thay thiết bị Shortcut bằng thiết bị Distilation :
-Nhập số đĩa nhập liệu là 13, vị trí đĩa nhập liệu là 6
-Ước đoán giá trị ban đầu của lượng sản phẩm đáy là : 6000 kg/h.
-Nhập liệu tương tự như trong thiết bị Shortcut.
35. - 35 -
- Tối ưu hóa vị trí đĩa nhập liệu: Dùng Optimizer
-Số đĩa nhập liệu tối ưu là 6.
36. - 36 -
Bài toán 2: (Flash) Cho vào thiết bị tách lỏng khí một dòng nguyên liệu với các dữ liệu sau:
-Lưu lượng :100kmol/h, t= 300C, p= 10 bar
-Thành phần hóa học
Methane : 13 kmol/h Ethane: 22 kmol/h Propane :38 kmol/h
Butane : 22 kmol/h Pentane: 5kmol/h
Điều kiện làm việc của thiết bị tách :300C, 7 bar
Hãy xác định:
1.Phần mol bay hơi của nguyên liệu trong điều kiện của bình tách.
2.Thành phần của lỏng và hơi ra khỏi thiết bị tách?
3.Năng suất nhiệt của thiết bị tách.
Giải:
Bước 1: Tạo dựng bản sơ đồ quá trình.
Bước 2: Click vào biểu tượng phân tử benzene .Xuất hiện cửa sổ rồi sau đó ta
nhập cấu tử vào.
37. - 37 -
Bước 3: Xác định phương pháp nhiệt động.
Click vào biểu tượng xuất hiện cửa sổ .Rồi ta chọn Most Commonly Used và chọn
Peng Robinson
Bước 4: Thiết lập dữ liệu đối với dòng.
Click vào dòng S1 xuất hiện ra bảng
38. - 38 -
- Nhập số liệu cho dòng với total là 100kmol/h và nhiệt độ là 30°C, áp suất là 10 bar
Bước 5: Thiết lập dữ liệu với thiết bị flash
Click vào biểu tượng của flash.
Ta nhấn vào Unit specification rồi nhập áp suất và nhiệt độ vào.
Bước 6: Lưu lại bài làm.
Bước 7 :Chạy mô phỏng.
39. - 39 -
Bước 8 : Đọc kết quả
Bài toán 3: (CaseStudy)
Một hỗn hợp khí nén thiên nhiên ( methane, ethane, propane ) ở điều kiện 25C và 20
bar được đưa vào một thiết bị giãn khí có hiệu suất 30%. Lưu lượng dòng khí thiên nhiên là
100 kgmol/h và áp suất đầu ra của thiết bị giãn khí là 5 bar.Xác định nhiệt độ đầu ra của dòng
khí và ảnh hưởng của hiệu suất thiết bị tới nhiệt độ ra của dòng khí. Biết tỉ lệ mol dòng khí là
50% methane, 30% ethane và 20% propane.
Giải:
Bước 1: Tạo dựng bản sơ đồ quá trình.
40. - 40 -
Bước 2: Nhập cấu tử vào.
Bước 3: Xác định phương pháp nhiệt động.
Bước 4: Thiết lập dữ liệu đối với dòng.
Click vào dòng S1 xuất hiện ra bảng
41. - 41 -
Bước 5: Thiết lập dữ liệu với thiết bị Expander
Bước 6: Thiết lập CaseStudy Data, vào menu Input chọn Casestudy Data… và thiết
lập như hình:
42. - 42 -
Bước 7 :Chạy mô phỏng.
Bước 8 : Hiển thị Casestudy, vào menu Output chọn Casestudy, chọn Table… và nhập
như hình:
Chọn Data…
43. - 43 -
Thêm hai biến hiệu suất và nhiệt độ vào trường Selected Variable(s):
Cuối cùng, chọn View Table… để hiển thị kết quả.
Bài toán4: ( Shortcut – Disillation – Calculator – Optimiser )
Sản xuất ethyl acetat từ ethanol và acid acetic với xúc tác là dung dịch acid sunfuric, các
thông số được cho như sau:
Ethanol : 95% phân khối lượng. Lưu lượng 4kgmol/h.
Acid Acetic : 95% phân khối lượng. Lưu lượng 4kgmol/h.
Acid sunfuric : 96% phân khối lượng. Lưu lượng 0,3gmol/h.
Nhiệt độ phản ứng 50C, áp suất 1atm.
Thiết kế hệ thống phản ứng và tách sản phẩm. Trong đó nồng độ sản phẩm đỉnh đạt 85% phân
mol Ethyl Acetat, sản phẩm đáy chứa dưới 3% phân mol Ethyl Acetat
Tối ưu giá trị lợi nhuận của hệ thống biết rằng;
Giá mua Ethanol là 100$/tấn.
Giá mua Acid Acetic là 150$/tấn.
Giá mua Acid Sunfuric là 200$/tấn.
44. - 44 -
Chi phí năng lượng là 50$/M BTU.
Giá bán Ethyl Acetat là : 3000$ tấn.
Giải
Bước 1: Vẽ sơ đồ mô phỏng:
Bước 2: Nhập các cấu tử trong hệ
Bước 3: Nhập phương trình nhiệt động.
48. - 48 -
Bước 6: Thiết lập thông số cho thiết bị trộn:
Bước 7: Thiết lập thông số cho thiết bị phản ứng:
49. - 49 -
Bước 8: Thiết lập thông số cho bơm:
Bước 9: Thiết lập thông số cho Shortcut:
50. - 50 -
Bước 10: Chạy mô phỏng.
Bước 11: Đọc kết quả từ Shortcut:
51. - 51 -
Thiết lập mối quan hệ giữa R và tích số N*(R+1), ta có kết quả sơ bộ cho tháp chưng
cất là N=14 , nhập liệu tại mâm thứ 8.
Bước 12: Tính toán cho thiết bị Distillation:
Thay thiết bị Shortcut bằng thiết bị Distilation :
-Nhập số đĩa nhập liệu là 14, vị trí đĩa nhập liệu là 8.
-Ước đoán giá trị ban đầu của lượng sản phẩm đỉnh là : 5 kgmol/h.
-Nhập liệu tương tự như trong thiết bị Shortcut.
52. - 52 -
Bước 13: Chạy kiểm tra mô phỏng.
Bước 14: Thêm hai đơn vị Calculator và Optimiser:
53. - 53 -
Bước 15: Thiết lập thông số cho Calculator:
Mở cửa sổ cài đặt Calculator:
Chọn Edit/View declarations
Chọn Parameter…và nhập các thông số như hình:
54. - 54 -
Chọn Constant…và nhập các thông số như hình:
Chọn Results…và nhập các thông số như hình:
Chọn
Arrays…và nhập các thông số như hình:
55. - 55 -
Chọn Stream Sequence…và nhập các thông số như hình:
Chọn Hide Declarations
Nhấn OK.
Bước 16: Thiết lập thông số cho Optimiser:
Mở cửa sổ cài đặt Optimiser:
56. - 56 -
Nhấn OK.
Bước 17: Chạy lai mô phỏng và xem kết quả:
Kết quả tối ưu lợi nhuận:
