Báo cáo mẫu cho môn thực hành tin học ứng dụng trong cnhh
1. Mục lục
Tổng quan về Pro/II
I - Giới Thiệu Phần Mềm Pro/II
II - 7 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-CHƯNG CẤT
- 1 -
2. 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:
VÍ DỤ
Bài toán 1
Bài toán 2
- 2 -
3. TỔNG QUAN VỀ PRO/II
I - Giới Thiệu Phần Mềm Pro / II
PROII 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. (địa chỉ
website: http://www.simsci-esscor.c om ) 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 - 7 bước sử dụng phần mềm PROII
Sự mô phỏng kết quả tới Desktop được thực hiện qua 7 buớc:
1) Vẽ sơ đồ qui 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.
- 3 -
4. 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.
- 4 -
5. 3) Lựa chọn những phương thức Tính toán Nhiệt động:
- 5 -
6. 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:
- 6 -
7. 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 Qui 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
- 7 -
8. 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:
- 8 -
9. 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 liệu và 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 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 làm không biết 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…
· 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
- 9 -
10. 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 qui 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
PRÔ II tự động ước lượng bằng công cụ IEG dựa trên các thông số đã
cung cấp. IEG chỉ được 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 biên 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 trịi 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.
- 10 -
11. Lưu đồ tính toán của phương pháp I/O
Khi chương trình không hội tụ, có nhiều nguyên nhân dẫn đến không
hội tụ:
- 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 :
o Thay đổi bộ tính toán tính chất (phải phù hợp với hệ
đang mô phỏng).
o Thay đổi cấu tử giả của dòng nhập liệu
- 11 -
12. o 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:
- 12 -
13. -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(có dấu phù hợp)
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 1 vài
dòng, ở đây có sự tổng cộng của NC và 3 mức độ của tự do. NC là số
của tất cả các cấu tử trong dòng này . Nếu thành phần cấu tạo của dòng
và tỉ lệ được trộn lận thì cũng có 2 bậc tự do cũng được trộn . Ví dụ nhiệt
độ và áp suất của tách đẳng nhiệt .Nói thêm , đối với tất cả các đơn vị
vận hành, Pro 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 net duty của đơn vị vận hành.
- 13 -
14. Hệ thống các phương trình: Toång caân baèng khoái löôïng :
- 14 -
15. 3. Flash drum
Đơn vị của Flash drum có thể được vận hành với những thông số điều
kiện , đẳng nhiệt đỉêm sương , đỉêm sủi bọt khác nhau …Đỉêm sủi bọt
cũng có thẻ đựơc xác định cho pha hydrocacbon hay pha nước . Đỉêm
cao hơn đỉêm sương cũng có thể được xác định cho tổng dòng. Nói
thêm, đối với 1 số dòng tổng quát đặc biệt như tốc độ cấu tử hay là đặc
tính dòng đặc biệt chẳng hạn như sulfur có chứa áp suất và nhiệt độ.
- 15 -
16. B- SHORTCUT
1. Giới thiệu tổng 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 flowsheeting 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
- 16 -
17. 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 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
j
N
i
y x
= =
N
i
N
i
N
/
j j
N
K
N
i y /
x
K
a
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.
- 17 -
18. 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 gía trị trung bình của
sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy
Số đĩa lý thuyết tối thiểu được tính theo công thức
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
K
lk
a =
j 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 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.
- 18 -
19. 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 :
Quy trình Kirkbride:
Vị trí đĩa nhập liệu tối ưu được xác định bởi phương trình Kirkbride
Với m là số giai đoạn lý thuyết phía trên đĩa nhập liệu.
p là số giai đoạn 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:
2 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.
- 19 -
20. 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- CHƯNG CẤT
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.
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.
- 20 -
21. 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:
Trong đó: Sj = yếu tố Stripping của giai đoạn j
V = the net vapor leaving the stage (lượng hơi rời khỏi đĩa)
L = the net liquid leaving the stage (lượng lỏng rời khỏi đĩa)
Kb = the base component K-value from the simple K-value model (giá trị
K của mô hình nhiệt động)
Vòng lặp trong giải hệ phương trình sau:
Trong đó Hj : Nhiệt cân bằng cho mỗi mâm.
SPk : các đặc tính thiết kế chi tiết kĩ thuật
- 21 -
22. 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. Sự kiểm tra hội tụ trong vòng lặp ngoài so sánh với những tính toán
chặt chẽ các giá trị enthalpies và các giá trị cân bằng lỏng hơi K từ những
thành phần mới ( kết quả tính toán từ vòng lặp trong).
Giá trị ban đầu K b trên mỗi đĩa được tính như sau :
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
- 22 -
23. 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 khối lượng:
. , 1. 1 1 1, 1 1 , 1, exp( ) exp( )( D ) exp( )( D ) L V
i j i j i i j i i i j i i i j i j M X V X L L Y V V f f - - - + + + - = - - - - - -
Cân bằng năng lượng:
Cân bằng lỏng –hơi:
- 23 -
24. Số phân mol:
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
X i,j = ln(x i,j) của phân mol lỏng
Y i,j = ln(y i,j) của phân mol 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 gía 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.
- 24 -
25. 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 + 3ẩn trên mỗi đĩa lí thuyết.
Những biến đổi độc lập trên mỗi đĩa là:
a. ln(x), phân mol lỏng
b. ln(y) phân mol khí
c. đĩa pha lỏng L1
d. đĩa pha khí V1
e. đĩa nhiệt độ T1
Những phương trình để giải trên mỗi đĩa là
Cân bằng cấu tử:
Cân bằng lỏng –hơi:
Cân bằng năng lượng:
- 25 -
26. 4. Tính toán thuỷ động lực học cho tháp chưng c ất
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
- 26 -
27. 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 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 sủi bọt trên các đĩa cũng được xét đến như là 1 yếu tố hệ thống. Bảng
5-7 sẽ cho ta thấy các yếu tố hệ thống được dùng để tính toán chính xác yếu
tố năng suất hơi
- 27 -
28. 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:
Vload : dung lượng hơi
ACFS (actual vapor volumetric flow rate): thể tích thực của hơi ứơc lượng trước
rG: tỷ trọng hơi
rL: 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
Với ΔP là độ giảm áp tổng (trên 1 thể tích)
DPdry là độ giảm áp trên đĩa khô
DPl 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
Với Cn là hệ số chảy tràn
- 28 -
29. nG 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:
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
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
i. Dùng cho tháp đĩa lỗ:
ii. Dùng cho tháp đĩa tầng sôi:
- 29 -
30. 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 of
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.
- 30 -
33. 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 thăng bằng, dù cho SPECs và VARYs chủa 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 cho sử dụng tháp phụ.
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:
- 33 -
34. 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 :
- 34 -
35. 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:
- 35 -
36. 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
- 36 -
38. -Trong mục Products :
Bước 6 : Chạy mô phỏng
- Nhấp vào biểu tượng trên thanh công cụ.
- Lưu đồ chuyển sang màu xanh như sau :
- 38 -
39. 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
- 39 -
40. Chọn số đĩa là 15, nhập liệu vào đĩa số 7.
II/ Tính toán cho thiết bị Distillation:
-Thay thiết bị Shortcut bằng thiết bị Distilation :
-Nhập số đĩa nhập liệu là 15, vị trí đĩa nhập liệu là 7
-Ước đoán giá trị ban đầu của lượng sản phẩm đáy là : 6000 kg/h.
-Nhập liệu tương tự như trong thiết bị Shortcut
- 40 -
44. - Tối ưu hóa vị trí đĩa nhập liệu: Dùng Optimizer
-Số đĩa nhập liệu tối ưu là 6.
- 44 -
45. Bài toán 2: Cho vào thiếtbị 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.
- 45 -
46. Bước 2: Click vào biểu tượng phân tử benzene .Xuất hiện cửa sổ rồi
sau đó ta nhập cấu tử vào.
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
- 46 -
47. Bước 4: Thiết lập dữ liệu đối với dòng.
Click vào dòng S1 xuất hiện ra bảng
- Nhập số liệu cho dòng với total là 100kmol/h và nhiệt độ là 300°C ,áp
suất là 10 bar
Bước 5: Thiết lập dữ liệu với thiết bị flash
Click vào biểu tượng của flash.
- 47 -
48. Ta nhấn vào Unit specification rồi nhập áp suất và nhiệt độ vào.
Bước 6: Ta Save As bài làm.
Bước 7 :Ta cho chạy chương trình .
- 48 -
